Manual de Asignatura
Control de Motores Eléctricos
Técnico superior universitario en el área de Mecatrónica Catedrático: Ing. Odón Cortés Vazquez 7 Diciembre 2011.
Universidad Tecnológica de Tehuacán Puebla
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INDICE Competencia.................................................................................................................................. 3 UNIDAD I. ...................................................................................................................................... 3 Objetivo: ....................................................................................................................................... 3 Resultado de aprendizaje: .............................................................................................................. 3 1.1 FUENTES DE VOLTAJE ............................................................................................................ 3 Practica 1 Caso práctico de una fuente conmutada.................................................................... 35 Practica 2
Caso práctico regulador serie completo. .................................................................. 53
1.2 Sistemas monofásicos, bifásicos y trifásicos............................................................................ 60 1.3
Conexiones eléctricas......................................................................................................... 80
Practica 3 Teórica práctica de empalmes ................................................................................... 98 Cubrir y proteger con cinta aislante las uniones de cables eléctricos ...................................... 113 UNIDAD II. Máquinas de inducción y de corriente directa ........................................................ 114 2.1 Transformadores ................................................................................................................. 115 2.2 Motores de CD .................................................................................................................... 146 2.3 Motores de CA ................................................................................................................... 156 UNIDAD III. Dispositivos de control, fuerza y protección .......................................................... 172 3.1 Dispositivos de control y protección ..................................................................................... 173 3.2 Diagrama de control y fuerza .............................................................................................. 173 Practica 4 ................................................................................................................................... 187 Practica 5 ................................................................................................................................... 192 3.3. Tipos de variadores ............................................................................................................ 220 3.4 REFERENCIAS...................................................................................................................... 260 UNIDAD IV. Mantenimiento a transformadores y motores eléctricos ....................................... 262 4.1 Fallas comunes eléctricas y mecánicas ................................................................................ 262 4.2 Tipos de mantenimientos .................................................................................................... 269 FUENTES BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................................................... 280
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COMPETENCIA Desarrollar y conservar sistemas automatizados y de control, utilizando tecnología adecuada, de acuerdo a normas, especificaciones técnicas y de seguridad, para mejorar y mantener los procesos productivos.
OBJETIVO DE LA ASIGNATURA El alumno realizará la instalación de sistemas eléctricos de control y fuerza, para manipular motores eléctricos, a través de la utilización de software de diseño y simulación, manteniendo la continuidad del funcionamiento y cumpliendo la normatividad de seguridad vigente.
UNIDAD I. Sistemas de alimentación eléctrica Objetivo: El alumno identificará las características de los sistemas monofásicos, bifásicos y trifásicos para la alimentación de cargas eléctricas empleando la normatividad vigente.
Resultado de aprendizaje: Elaborará, a partir de un caso específico, un reporte que describa:
Las características de los sistemas de alimentación eléctrica. Los resultados de las mediciones de voltaje. Las secuencias de fase encontradas en las mediciones.
1.1
FUENTES DE VOLTAJE
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Objetivo. El alumno identificará las características de los sistemas monofásicos, bifásicos y trifásicos para la alimentación de cargas eléctricas empleando la normatividad vigente.
INTRODUCCIÓN
Podemos definir fuente de alimentación como aparato electrónico modificador de la electricidad que convierte la tensión alterna en una tensión continua.
Remontándonos un poco en la historia describiremos que en la industria no se contaba con equipos eléctricos, luego se empezaron a introducir dispositivos eléctricos no muy sofisticados por lo que no eran muy sensibles a sobretensiones, luego llegaron los equipo más modernos que necesitaban de bajos voltajes y por lo tanto eran muy sensibles a sobretensiones, cambios bruscos o ruido en las tensiones de alimentación por lo que se ha iniciando la construcción de fuentes de alimentación que proporcionaran el voltaje suficiente de estos dispositivos y que garanticen la estabilidad de la tensión que ingresa al equipo.
Hoy en día los equipos electrónicos, en su mayoría, funcionan con corriente continua, así, el dispositivo que convierte la corriente alterna a corriente continua, en los niveles requeridos por el circuito electrónico a alimentar, se llama fuente de alimentación. En resumen la función de una fuente de alimentación es convertir la tensión alterna en una tensión en una tensión continua.
Existen
básicamente
dos
tipos
4
de
fuente
de
alimentación:
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la fuente conmutada
La fuente regulada
Cada una con sus características, sus ventajas y desventajas. Se utiliza una de ellas de acuerdo al uso final que van a tener, es decir, según los requerimientos de estabilidad y rendimiento que tenga la carga a alimentar.
CONCEPTOS BÁSICOS
Una fuente convencional
Este es su diagrama en bloques: para explicar el funcionamiento de una fuente convencional.
Transformador de entrada
Modifica los niveles de tensión alterna a los requeridos por el circuito a alimentar. El trasformador de entrada reduce la tensión de red (generalmente 220 o 120 V) a otra tensión más adecuada para ser tratada. Solo es capaz de trabajar con corrientes alternas, esto quiere decir que la tensión de entrada será alterna y la de salida también.
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Consta de dos arroyamientos sobre un mismo núcleo de hierro, ambos arroyamientos, primario y secundario, son completamente independientes y la energía eléctrica se transmite del primario al secundario en forma de energía magnética a través del núcleo.
El esquema de un transformador simplificado es el siguiente:
La corriente que circula por el arrollamiento primario (el cual está conectado a la red), genera una circulación de corriente magnética por el núcleo del transformador. Esta corriente magnética será más fuerte cuantas más espiras (vueltas) tenga el arroyamiento primario. Si acercas un imán a un transformador en funcionamiento notarás que el imán vibra, esto es debido a que la corriente magnética del núcleo es alterna, igual que la corriente por los arroyamientos del transformador.
En el arroyamiento secundario ocurre el proceso inverso, la corriente magnética que circula por el núcleo genera una tensión que será tanto mayor cuanto mayor
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sea el número de espiras del secundario y cuanto mayor sea la corriente magnética que circula por el núcleo (la cual depende del número de espiras del primario).
Por lo tanto, la tensión de salida depende de la tensión de entrada y del número de espiras de primario y secundario. Como fórmula general se dice que:
V1 = V2 * (N1/N2)
Donde N1 y N2 son el número de espiras del primario y el del secundario respectivamente.
Así por ejemplo podemos tener un transformador con una relación de transformación de 220V a 12V, no podemos saber cuántas espiras tiene el primario y cuantas el secundario pero si podemos conocer su relación de espiras:
N1/N2 = V1/V2 N1/N2 = 220/12 = 18,33
Este dato es útil si queremos saber que tensión nos dará este mismo transformador si lo conectamos a 120V en lugar de 220V, la tensión V2 que dará a 120V será:
120 = V2 * 18,33 V2 = 120/18,33 = 6,5 V
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Por el primario y el secundario pasan corrientes distintas, la relación de corrientes también depende de la relación de espiras pero al revés, de la siguiente forma:
I2 = I1 * (N1/N2)
Donde I1 e I2 son las corrientes de primario y secundario respectivamente. Esto nos sirve para saber que corriente tiene que soportar el fusible que pongamos a la entrada del transformador, por ejemplo, supongamos que el transformador anterior es de 0.4 Amperios. Esta corriente es la corriente máxima del secundario I2, pero nosotros queremos saber que corriente habrá en el primario (I1) para poner allí el fusible.
Entonces aplicamos la fórmula: I2 = I1 * (N1/N2) 0.4 = I1 * 18.33 I1 = 0.4 / 18.33 = 21,8 mA
Para asegurarnos de que el fusible no saltará cuando no debe, se tomará un valor mayor que este, por lo menos un 30% mayor.
Rectificador a diodos
El rectificador es el que se encarga de convertir la tensión alterna que sale del transformador en tensión continua. Para ello se utilizan diodos. Un diodo conduce cuando la tensión de su ánodo es mayor que la de su cátodo. Es como un interruptor que se abre y se cierra según la tensión de sus terminales:
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El rectificador se conecta después del transformador, por lo tanto le entra tensión alterna y tendrá que sacar tensión continua, es decir, un polo positivo y otro negativo:
La tensión Vi es alterna y senoidal, esto quiere decir que a veces es positiva y otras negativa. En un osciloscopio veríamos esto:
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La tensión máxima a la que llega Vi se le llama tensión de pico y en la gráfica figura como Vmax. La tensión de pico no es lo mismo que la tensión eficaz pero están relacionadas, Por ejemplo, si compramos un transformador de 6 voltios son 6 voltios eficaces, estamos hablando de Vi. Pero la tensión de pico Vmax vendrá dada por la ecuación:
Vmax = Vi * 1,4142 Vmax = 6 * 1,4142 = 8,48 V
Ejemplos de rectificadores:
Rectificador a un diodo
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El rectificador más sencillo es el que utiliza solamente un diodo, su esquema es este:
Cuando Vi sea positiva la tensión del ánodo será mayor que la del cátodo, por lo que el diodo conducirá: en Vo veremos lo mismo que en Vi, mientras que cuando Vi sea negativa la tensión del ánodo será menor que la del cátodo y el diodo no podrá conducir, la tensión Vo será cero.
Según lo que acabamos de decir la tensión Vo tendrá esta forma:
La tensión que obtenemos con este rectificador no se parece mucho a la de una batería, pero una cosa es cierta, hemos conseguido rectificar la tensión de entrada
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ya que Vo es siempre positiva. Aunque posteriormente podamos filtrar esta señal y conseguir mejor calidad este esquema no se suele usar demasiado.
Rectificador en puente
El rectificador más usado es el llamado rectificador en puente, su esquema es el siguiente:
Cuando Vi es positiva los diodos D2 y D3 conducen, siendo la salida Vo igual que la entrada Vi, cuando Vi es negativa los diodos D1 y D4 conducen, de tal forma que se invierte la tensión de entrada Vi haciendo que la salida vuelva a ser positiva. El resultado es el siguiente:
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Vemos en la figura que todavía no hemos conseguido una tensión de salida demasiado estable, por ello, será necesario filtrarla después. Es tan común usar este tipo de rectificadores que se venden ya preparados los cuatro diodos en un solo componente. Suele ser recomendable usar estos puentes rectificadores, ocupan menos que poner los cuatro diodos y para corrientes grandes vienen ya preparados para ser montados en un radiador. Este es el aspecto de la mayoría de ellos:
Tienen cuatro terminales, dos para la entrada en alterna del transformador, uno la salida positiva y otro la negativa o masa. Las marcas en el encapsulado suelen ser: ~ Para las entradas en alterna + Para la salida positiva – Para la salida negativa o masa.
El filtro
La tensión en la carga que se obtiene de un rectificador es en forma de pulsos. En un ciclo de salida completo, la tensión en la carga aumenta de cero a un valor de pico, para caer después de nuevo a cero. Esta no es la clase de tensión continua que precisan la mayor parte de circuitos electrónicos. Lo que se necesita es una
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tensión constante, similar a la que produce una batería. Para obtener este tipo de tensión rectificada en la carga es necesario emplear un filtro.
El tipo más común de filtro es el del condensador a la entrada, en la mayoría de los casos perfectamente válido. Sin embargo en algunos casos puede no ser suficiente y tendremos que echar mano de algunos componentes adicionales.
Filtro con condensador a la entrada:
Este es el filtro más común y seguro que lo conocerás, basta con añadir un condensador en paralelo con la carga (RL), de esta forma:
Todo lo que digamos en este apartado será aplicable también en el caso de usar el filtro en un rectificador en puente. Cuando el diodo conduce el condensador se carga a la tensión de pico Vmax. Una vez rebasado el pico positivo el condensador se abre. ¿Por qué? debido a que el condensador tiene una tensión Vmax entre sus extremos, como la tensión en el secundario del transformador es un poco menor que Vmax el cátodo del diodo está a más tensión que el ánodo. Con el diodo ahora abierto el condensador se descarga a través de la carga.
Durante este tiempo que el diodo no conduce el condensador tiene que "mantener el tipo" y hacer que la tensión en la carga no baje de Vmax. Esto es prácticamente imposible ya que al descargarse un condensador se reduce la tensión en sus extremos.
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Cuando la tensión de la fuente alcanza de nuevo su pico el diodo conduce brevemente recargando el condensador a la tensión de pico. En otras palabras, la tensión del condensador es aproximadamente igual a la tensión de pico del secundario del transformador (hay que tener en cuenta la caída en el diodo). La tensión Vo quedará de la siguiente forma:
La tensión en la carga es ahora casi una tensión ideal. Solo nos queda un pequeño rizado originado por la carga y descarga del condensador. Para reducir este rizado podemos optar por construir un rectificador en puente: el condensador se cargaría el doble de veces en el mismo intervalo teniendo así menos tiempo para descargarse, en consecuencia el rizado es menor y la tensión de salida es más cercana a Vmax.
Otra forma de reducir el rizado es poner un condensador mayor, pero siempre tenemos que tener cuidado en no pasarnos ya que un condensador demasiado grande origina problemas de conducción de corriente por el diodo y, por lo tanto, en el secundario del transformador (la corriente que conduce el diodo es la misma que conduce el transformador).
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Efecto del condensador en la conducción del diodo:
Como venimos diciendo hasta ahora, el diodo solo conduce cuando el condensador se carga. Cuando el condensador se carga aumenta la tensión en la salida,
y cuando
se
descarga
disminuye,
por
ello
podemos distinguir
perfectamente en el gráfico cuando el diodo conduce y cuando no. En la siguiente figura se ha representado la corriente que circula por el diodo, que es la misma que circula por el transformador:
La corriente por el diodo es a pulsos, aquí mostrados como rectángulos para simplificar. Los pulsos tienen que aportar suficiente carga al condensador para que pueda mantener la corriente de salida constante durante la no conducción del diodo. Esto quiere decir que el diodo tiene que conducir "de vez" todo lo que no puede conducir durante el resto del ciclo. Es muy normal, entonces, que tengamos una fuente de 1 Amperio y esos pulsos lleguen hasta 10 Amperios o más. Esto no quiere decir que tengamos que poner un diodo de 10 amperios, Un 1N4001 aguanta 1 amperio de corriente media y pulsos de hasta 30 amperios.
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Si ponemos un condensador mayor reducimos el rizado, pero al hacer esto también reducimos el tiempo de conducción del diodo, Como la corriente media que pasa por los diodos será la misma (e igual a la corriente de carga) los pulsos de corriente se hacen mayores:
Y esto no solo afecta al diodo, al transformador también, ya que a medida que los pulsos de corriente se hacen más estrechos (y más altos a su vez) la corriente eficaz aumenta. Si nos pasamos con el condensador podríamos encontrarnos con que tenemos un transformador de 0,5 A y no podemos suministrar más de 0,2 A a la carga (por poner un ejemplo).
Valores recomendables para el condensador en un RECTIFICADOR EN PUENTE:
Si quieres ajustar el valor del condensador al menor posible esta fórmula te dará el valor del condensador para que el rizado sea de un 10% de Vo (regla del 10%):
C = (5 * I) / (ƒ * Vmax)
dónde: C: Capacidad del condensador del filtro en faradios I: Corriente que suministrará la fuente
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ƒ: frecuencia de la red Vmax: tensión de pico de salida del puente (aproximadamente Vo)
Si se quiere conseguir un rizado del 7% puedes multiplicar el resultado anterior por 1,4, y si quieres un rizado menor resulta más recomendable que uses otro tipo de filtro o pongas un estabilizador.
El regulador
Un regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una tensión de salida de la tensión exacta que queramos. En esta sección nos centraremos en los reguladores integrados de tres terminales que son los más sencillos y baratos que hay, en la mayoría de los casos son la mejor opción. Este es el esquema de una fuente de alimentación regulada con uno de estos reguladores:
Si has seguido las explicaciones hasta ahora no te costará trabajo distinguir el transformador, el puente rectificador y el filtro con condensador a la entrada. Suele ser muy normal ajustar el condensador según la regla del 10%, Si no sabes cómo repasa el filtro con condensador a la entrada.
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Es muy corriente encontrarse con reguladores que reducen el rizado en 10000 veces (80 dB), esto significa que si usas la regla del 10% el rizado de salida será del 0.001%, es decir, inapreciable.
Las ideas básicas de funcionamiento de un regulador de este tipo son:
1. La tensión entre los terminales Vout y GND es de un valor fijo, no variable, que dependerá del modelo de regulador que se utilice.
2. La corriente que entra o sale por el terminal GND es prácticamente nula y no se tiene en cuenta para analizar el circuito de forma aproximada. Funciona simplemente como referencia para el regulador.
3. La tensión de entrada Vin deberá ser siempre unos 2 o 3 V superior a la de Vout para asegurarnos el correcto funcionamiento.
Los tipos de reguladores que se suelen usar son:
-
Reguladores de la serie 78XX:
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Regulador ajustable LM317
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FUENTES
CONMUTADAS
Las fuentes conmutadas fueron desarrolladas inicialmente para aplicaciones militares y aerospaciales en los años 60, por ser inaceptable el peso y volumen de las lineales, se han desarrollado desde entonces diversas topologías y circuitos de control, algunas de ellas son de uso común en fuentes conmutadas para aplicaciones industriales y comerciales
Rectificación y filtro de entrada
Las fuentes conmutadas son convertidores cc-cc, por lo que la red debe ser previamente rectificada y filtrada con una amplitud de rizado aceptable. La mayoría de las fuentes utilizan el circuito de la Fig.1 para operar desde 90 a 132 Vac o de 180 a 260 Vac según sea la posición del conmutador.
En la posición de abierto se configura como
rectificador
de
onda
completa
obteniéndose aproximadamente 310 Vcc desde la red de 220 Vac. En la posición de cerrado el circuito funciona como
rectificador doblador de tensión,
obteniéndose también 310 Vcc a partir de 110 Vac.
Para evitar sobrecalentamientos los condensadores electrolitos de filtro (C1 y C2) deben ser de bajo ESR (baja resistencia interna) y de la tensión adecuada. Es conveniente conectar en paralelo con estos otros condensadores tipo MKP para
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mejor desacoplo de alta frecuencia de conmutación. Los rectificadores deben soportar una tensión inversa de 600v.
Pico de arranque
Al arrancar una fuente conmutada, la impedancia presentada a la red es muy baja al encontrarse los condensadores descargados, sin una resistencia en serie adicional la corriente inicial sería excesivamente alta. En la Fig.1, TH1 y TH2 son resistencias NTC (coeficiente negativo de temperatura), que limitan esta corriente a un valor aceptable. Las fuentes de media y gran potencia disponen de circuitos activos con resistencia limitadora que se cortocircuito por medio de relés o de conmutadores estáticos cuando ya están los condensadores cargados. En el caso de las fuentes de AMV se utiliza un transistor MOS-FET de potencia.
Protección contra transitorios
Además del filtrado de ruidos reinyectados a la red que incorporan las fuentes conmutadas, es aconsejable la utilización de un varistor conectado a la entrada para proteger contra picos de tensión generados por la conmutación en circuitos inductivos de las proximidades o por tormentas eléctricas.
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CONFIGURACIONES BÁSICAS Las fuentes conmutadas son de circuitos relativamente complejos, pero podemos siempre diferenciar cuatro bloques constructivos básicos:
1) En el primer bloque rectificamos y filtramos la tensión alterna de entrada convirtiéndola en una continua pulsante.
2) El segundo bloque se encarga de convertir esa continua en una onda cuadrada de alta frecuencia (10 a 200 kHz.), la cual es aplicada a una bobina o al primario de un transformador.
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3) El tercer bloque rectifica y filtra la salida de alta frecuencia del bloque anterior, entregando así una corriente continua pura.
4) El cuarto bloque se encarga de comandar la oscilación del segundo bloque. Este bloque consiste de un oscilador de frecuencia fija, una tensión de referencia, un comparador de tensión y un modulador de ancho de pulso (PWM). El modulador recibe el pulso del oscilador y modifica su ciclo de trabajo según la señal del comparador, el cual coteja la tensión continua de salida del tercer bloque con la tensión de referencia.
5) Aclaración: ciclo de trabajo es la relación entre el estado de encendido y el estado de apagado de una onda cuadrada.
En la mayoría de los circuitos de fuentes conmutadas encontraremos el primer y el tercer bloque como elementos invariables, en cambio el cuarto y el segundo tendrán diferentes tipos de configuraciones. A veces el cuarto bloque será hecho con integrados y otras veces nos encontraremos con circuitos totalmente transistorizados.
El segundo bloque es realmente el alma de la fuente y tendrá configuraciones básicas: BUCK , BOOST, BUCK-BOOST.
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Buck: el circuito interrumpe la alimentación y provee una onda cuadrada de ancho de pulso variable a un simple filtro LC. La tensión aproximada es Vout = Vin * ciclo de trabajo y la regulación se ejecuta mediante la simple variación del ciclo de trabajo. En la mayoría de los casos esta regulación es suficiente y sólo se deberá ajustar levemente la relación de vueltas en el transformador para compensar las pérdidas por acción resistiva, la caída en los diodos y la tensión de saturación de los transistores de conmutación. Boost: el funcionamiento es más complejo. Mientras el Buck almacena la energía en una bobina y éste entrega la energía almacenada más la tensión de alimentación a la carga. Buck-Boost: los sistemas conocidos como Flyback son una evolución de los sistemas anteriores y la diferencia fundamental es que éste entrada a la carga sólo la energía almacenada en la inductancia. El verdadero sistema Boost sólo
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puede regular siendo Vout mayor que Vin, mientras que el Flyback puede regular siendo menor o mayor la tensión de salida que la de entrada.
CONFIGURACIONES BÁSICAS RECOMENDADAS
Las configuraciones más recomendadas por los fabricantes se diferencian en potencia, modo, precio, utilidad y calidad. Son muy comunes las siguientes configuraciones:
CIRCUITO DE POTENCIA:
Convertidores DC (Buck) - 5 Watts
Flyback - 50 Watts
Forward (Boost) - 100 Watts
Half-Bridge - 200 Watts
Full-Bridge - 500 Watts
FLYBACK:
Rango desde 50 hasta 100 vatios.
Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h = 80%
Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.4
Máx. corriente de trabajo en el transistor:
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Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 5.5 Pout / Vin
Dada su sencillez y bajo costo, es la topología preferida en la mayoría de los convertidores de baja potencia (hasta 100 w).
En la figura se muestran los principios de esta topología de fuente conmutada:
Cuando «T» conduce, la corriente crece linealmente
en
transformador,
el
primario
diseñado
con
del alta
inductancia para almacenar energía a medida que el flujo magnético aumenta.
La disposición del devanado asegura que el diodo «D» está polarizado en sentido inverso durante este período, por lo que no circula corriente en el secundario. Cuando «T» se bloquea, el flujo en el transformador cesa generando una corriente inversa en el secundario que carga el condensador a través del diodo alimentando la carga. Es decir, en el campo magnético del transformador se almacena la energía durante el período «ON» del transistor y se transfiere a la carga durante el período «OFF» (FLYBACK). El condensador mantiene la tensión en la carga durante el período «ON».
La regulación de tensión en la salida se obtiene mediante comparación con una referencia fija, actuando sobre el tiempo «ON» del transistor, por tanto la energía transferida a la salida mantiene la tensión constante independientemente del
valor
de
la
carga
o
del
valor
de
la
tensión
de
entrada.
La variación del período «ON» se controla por modulación de ancho de pulso
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(PWM) a frecuencia fija, o en algunos sistemas más sencillos por auto oscilación variando la frecuencia en función de la carga.
NOTAEn el regulador flyback se puede variar sutilmente el modo de trabajo, continuo o discontinuo:
Modo Discontinuo: es el modo Boost estrictamente, donde la energía se vacía completamente del inductor antes de que el transistor vuelva a encenderse.
Modo Continuo: antes que la bobina se vacié enciende nuevamente el transistor. La ventaja de este modo radica en que el transistor sólo necesita conmutar la mitad de un gran pico de corriente para entregar la misma potencia a la carga.
FLYBACK de salidas múltiples: La figura muestra la simplicidad con que pueden añadirse salidas aisladas a un convertidor Flyback.
Los requisitos para cada salida adicional son un secundario auxiliar, un diodo rápido y un condensador. Para la regulación de las salidas auxiliares suele utilizarse un estabilizador lineal de tres terminales a costa de una pérdida en el rendimiento.
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FORWARD (DIRECTO):
Rango desde 50 hasta 250 vatios.
Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h = 80%
Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.4
Máx. corriente de trabajo en el transistor:
Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 2.25 Pout / Vin
Es algo más complejo que el sistema Flyback aunque razonablemente sencillo y rentable en cuanto a costes para potencias de 100 a 250w.
Cuando el transistor conmutador «T» está conduciendo «ON», la corriente crece en el primario del transformador transfiriendo
energía
al
secundario.
Como quiera que el sentido de los devanados el diodo D2 está polarizado directamente, la corriente pasa a través de la inductancia L a la carga, acumulándose energía magnética en L. Cuando «T» se apaga «OFF», la corriente en el primario cesa invirtiendo la tensión en el secundario. En este momento D2 queda polarizado inversamente bloqueando la corriente de secundario, pero D3 conduce permitiendo que la energía almacenada en L se descargue alimentando a la carga. El tercer devanado, llamado de recuperación, permite aprovechar la
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energía que queda en el transformador durante el ciclo «OFF» devolviéndola a la entrada, vía D1.
Contrariamente al método Flyback, la inductancia cede energía a la carga durante los períodos «ON» y «OFF», esto hace que los diodos soporten la mitad de la corriente y los niveles de rizado de salida sean más bajos.
FORWARD de salidas múltiples:
Por cada salida adicional es necesario un secundario auxiliar, dos diodos rápidos,
una
inductancia
y
un
condensador de filtro. Esto hace que
sea
más
costoso
que
el
Flyback.
Para mejorar la regulación en las salidas
auxiliares
se
utilizan
estabilizadores lineales.
PUSH-PULL (Contrafase):
Rango desde 100 hasta 500 vatios.
Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h = 80%
Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8
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Máx. corriente de trabajo en el transistor:
Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 1.4 Pout / Vin (FORWARD)
Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = 2 Vin(max) 1.41 + tensión de protección
Esta topología se desarrolló para aprovechar mejor los núcleos magnéticos. En esencia consisten en dos convertidores Forward controlados por dos entradas en contrafase. Los diodos D1 y D2 en el secundario, actúan como dos diodos de recuperación. Idealmente los períodos de conducción de los transistores deben ser iguales, el transformador se excita simétricamente y al contrario de la topología Forward no es preciso prever entrehierro en el circuito magnético, ya que no existe asimetría en el flujo magnético y por tanto componente continúa. Ello se traduce en una reducción del volumen del núcleo del orden del 50% para una misma potencia.
Una precaución que debe tenerse en cuanta en este tipo de circuitos es que las características de conmutación de los transistores deben ser muy similares, y los devanados tanto en primario como en secundario han de ser perfectamente simétricos,
incluso
en
su
disposición
31
física
en
el
núcleo.
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También se ha de tener en cuenta, que los transistores conmutadores soportan en estado «OFF» una tensión doble de la tensión de entrada.
HALL-BRIDGE (Semipuente):
Rango desde 100 hasta 500 vatios.
Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h = 80%
Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8 Máx. corriente de trabajo en el transistor:
Iw = 2 Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 2.8 Pout / Vin (FORWARD)
Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = Vin(max) 1.41 + tensión de
protección
Es la topología más utilizada para tensiones de entrada altas (de 200 a 400v) y para potencias de hasta 2000w.
En la figura se aprecia que el primario del entre
transformador la
unión
condensadores
del
está central
conectado de
los
desacoplo
de
entrada y la unión de la fuente de T1 y el drenador de T2. Si se dispara alternativamente los transistores T1 y
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T2 conecta el extremo del primario a +300v y a 0v según corresponda, generando una onda cuadrada de 155v de valor máximo, la cual con una adecuada relación de espiras, rectificada y filtrada se obtiene la tensión de salida deseada.
Una ventaja de este sistema es que los transistores soportan como máximo la tensión de entrada cuando están en «OFF», mientras que en los sistemas Flyback, Push-Pull y Forward, esta tensión es cuando menos el doble. Ello permite, cuando la tensión de entrada es la red rectificada, la utilización de transistores de 400 a 500v, mientras que en las otras configuraciones se requerirían transistores de 800 a 1000v.La regulación se logra comparando una muestra de la salida con una tensión de referencia para controlar el ancho del estado de conducción de los transistores.
Algunas de las ventajas del semipuente son:
Núcleos más pequeños.
Baja dispersión de flujo magnético.
La frecuencia en los filtros de salida es el doble de la frecuencia de conmutación.
Filtro de reducidas dimensiones.
Bajo ruido y rizado de salida.
Fácil configuración como salidas múltiples.
Ruido radiado relativamente bajo.
La mayor desventaja consiste en que el primario del transformador trabaja a la mitad de la tensión de entrada y por tanto circula el doble de corriente por los transistores que en el caso de topología puente que se verá a continuación.
BRIDGE (Puente):
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Rango desde 500 hasta 1000 vatios
Variación del voltaje de entrada: Vin +10%, -20%
Eficiencia del convertidor: h = 80%
Regulación por variación del ciclo de trabajo: d(max) = 0.8
Máx. corriente de trabajo en el transistor:
Iw = Pout / ( h d(max) Vin(min) 1.41 ) = 1.4 Pout / Vin (FORWARD)
Máx. tensión de trabajo del transistor: Vw = Vin(max) 1.41 + tensión de protección
Para potencias superiores a 2000w, las corrientes en los transistores de conmutación son excesivas. La Fig. 8 muestra la topología básica de un convertidor
puente,
donde
los
transistores en ramas opuestas del puente T1 y T4 son disparados en fase y T2 y T4 en contrafase. La amplitud de la onda cuadrada en el primario del transformador es por tanto de 310v, doble que en la topología semipuente y por tanto mitad de corriente para una misma potencia. El empleo de cuatro transistores que deben ser excitados por separado, hace que el circuito de disparo sea más complejo. Si la conmutación en ambas ramas está algo desbalanceada hace que aparezca una componente continua en el transformador produciendo la saturación del
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núcleo magnético, se evita con la introducción del condensador C1 en serie con el primario del transformador.
Practica 1
Caso práctico de una fuente conmutada
Diseño de una fuente conmutada MATERIAL: 1 UA78S40PC 1 CAPACITOR 4.7n Fd. 1 CAPACITOR 100u Fd. 1 BOBINA DE 32u hy. 1 RESISTOR 1.2k, 101, 0.1, 1, 47ohms. 1 POTENCIOMETRO. 1 DIODO de 8 AMP.
DESARROLLO:
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Para el desarrollo de está práctica nos basamos en el convertidor de dc-dc de subida, el voltaje de entrada es de 12 volts y a la salida tenemos 24 volts de dc. para el cálculo de esta práctica nos basamos en las fórmulas de diseño en las hojas de especificación del circuito 78s40 de motorola. Ahora mostramos el diseño con estas formulas: Datos:
VS=Vin=12. Vout=
24
Iout=1
amp.
Vripple= 1% = voltaje rizo.
ton=1.1471toff ton>=10us
;
(ton+toff)<=50us. toff=10us. CT=45x10-5x toff =45 x10-5 x10us= 4.5nFd aprox. 4.7nFd.
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toff>=10us.
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Por
lo
tanto
:
ton=10.44us x 1.1471 = 11.98us
Se decidió poner un capacitor de 100ufd. a 63 volts. R1+R2=24Kohm
R1= Potenciometro de 25K.
Con estos valores de resistores, capacitores y bobina se procedió al armado del convertidor. Cabe señalar que para la construcción de la bobina se usó un toroide. Aquí mostramos el circuito terminado:
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MEDICIONES:
Se midió el voltaje rizo y fue de : .525 volts que se aproxima a nuestros valores de cálculo, también se puso a la salida 2 focos, se midió la corriente y fue de .95 amp, y el voltaje de salida fue de 23.9 volts este valor se acercó mucho al calculado.
Se pusieron distintas cargas, para valores de impedancia que no pidieran más corriente mayor a 1 ampere el voltaje se mantenía constante, pero al pedirle más corriente el voltaje de salida se caía, como era lo pensado. por lo general el convertidor funciono correctamente en los rangos aceptables.
REGULADORES CON CONMUTACIÓN EN EL PRIMARIO.
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En la figura muestra el circuito básico de un regulador con conmutación en el primario. La tensión de la red es rectificada directamente por medio de un puente de diodos. Los condensadores alisadores conectados en serie C1, C2, tienen entonces cada uno una tensión de 150 V. Con los transistores conmutadores, T1 y T2, las tensiones * U1 +150 V, si T1 conduce * -150 V, si T2 conduce pueden ser aplicadas alternativamente al arrollamiento primario del transformador de alta frecuencia. El primario está conectado al rectificador de red de tal manera que por el no circula corriente continua. Esto evita que el transformador se sature si los tiempos de conducción de T1 y T2 no son iguales.
La tensión alterna del secundario del transformador es rectificada por un circuito puente. Esta conexión particular es preferible para este tipo de regulador ya que en un instante cualquiera sólo hay un diodo que produce perdidas. Él arrollamiento secundario adicional normalmente evitado en funcionamiento a 50 Hz no representa dificultades en la operación de alta frecuencia. Estos aspectos son particularmente importantes para generar pequeñas tensiones de salida, ya que los diodos D1 y D2 son la principal causa de perdida. Para mantener en el mínimo
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las perdidas estática y dinámica se recomienda utilizar diodos de potencia Schottky, por ejemplo los tipos MBR3520....MBR7545 de motorota.
De la misma manera que para el regulador con conmutación en el secundario, el aislamiento de la tensión de salida se obtiene por medio de un elemento LC. La unidad de control es en principio idéntica a la del regulador con conmutación en el secundario. Sin embargo, se requiere un circuito exitador adicional para distribuir la señal de conducción al transistor conmutador apropiado. Como los transistores están conectados al primario del transformador y el circuito exitador tiene una unidad de control para el secundario, los transistores deben estar aislados del
circuito
exitador.
Para la transmisión
de
impulsos de
u
optoacopladores. Con el fin de que la disipación de potencia de los transistores conmutadores pueda ser pequeña, deben ser conmutados en conexión y desconexión tan rápidamente
como
sea
posible
y
nunca
deben
estar
conduciendo
simultáneamente. Con el diseño óptimo se pueden obtener rendimientos de más del 80%. La unidad de control se puede adquirir como circuito integrado. La disipación descrita también puede ser directamente alimentada por una tensión de c.c, en lugar de por una tensión de c.a, rectificada. Funciona como transformador de tensión de c.c, altamente eficiente (convertidor c.a./c.c.).
REGULADORES CON CONMUTACIÓN EN EL SECUNDARIO.
En la primera figura muestra el circuito básico de un regulador con conmutación en
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el secundario (el regulador reductor). El transistor T1 es periódicamente puesto en estado de corte y en estado de saturación con una frecuencia de 20 kHz aproximadamente. El diodo D evita que sean inducidas altas tensiones en la reactancia durante la puesta en el corte del transistor ya que mantiene el flujo de corriente en la reactancia. Así, durante el tiempo de corte, no solo el condensador sino también la reactancia contribuyen a la corriente de salida, y de esta manera sé obtiene una tensión de salida bien aislada sin pérdida de potencia.
En la segunda figura está representado el diagrama de bloques de la unidad de control. El controlador compara la tensión de salida con la tensión de referencia. Si la tensión de salida es demasiado pequeña el ciclo de servicio ton/T de la tensión de control Vc es aumentado por el modulador. La frecuencia, f = 1 / T, de la tensión de control permanece constante en este proceso. Está determinada por el oscilador.
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Para el diseño del regulador de conmutación debemos determinar inicialmente la dependencia de la corriente de la bobina de reactancia con respecto al tiempo. Para empezar suponemos que el condensador es infinitamente grande para que la ondulación de la tensión de salida sea cero.
La ley de Farad ay de la inducción de la expresión UL = L*d/L
Fuentes reguladas
Reguladores lineales:
Operan con c.c. a la entrada: VCC
Equivalen a una resistencia con valor de ajuste automático.
Basan su funcionamiento en la caída de tensión en elementos disipativos.
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Tienen bajo rendimiento.
Fuente regulada:
TIPOS DE REGULADORES LINEALES:
REGULADOR EN SERIE Esta configuración suele utilizarse cuando la carga es grande.
En la figura vemos el diagrama de bloques de un regulador en serie. Del diagrama deducimos que la potencia disipada será:
REGULADOR EN PARALELO
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Esta configuración suele utilizarse cuando la carga es pequeña. El circuito está autoprotegido frente a cortocircuitos. En la figura vemos el diagrama de bloques de un regulador en serie.
Del diagrama deducimos que la potencia disipada será:
DIFERENCIAS ESENCIALES El regulador paralelo impide que las variaciones de la corriente de carga aparezcan en la fuente 1ª aislándose la carga de la fuente 1ª, que es bueno para frecuencias elevadas. La energía disipada, en forma de calor, en el regulador serie aumenta en proporción directa con la carga, mientras que en el regulador paralelo disminuye al aumentarla. El regulador paralelo tiene un elemento más, R, que evita la rotura del regulador si falta la carga. R también disipa calor para una entrada, una salida determinada y una carga idéntica, la potencia entregada por la fuente 1ª de un regulador paralelo es mayor que la entregada por un regulador en serie. El regulador paralelo tiene un rendimiento inferior al regulador en serie.
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FUENTES REGULADAS DE TENSIÓN
REGULADOR DE TENSIÓN SERIE: Por Seguidor De Emisor. Una fuente con una regulación deficiente tiene una impedancia interna alta. Solución: usar un seguidor de emisor transformando la impedancia interna de alta a baja. Este tipo de reguladores son los más usados.
REGULADOR DE TENSIÓN PARALELO: Con Derivación Está constituido por un circuito de estabilización por diodo Zener y un transistor que observe los cambios de corriente necesarios para compensar las variaciones de la V de salida. Ventaja: constituye una protección contra cortacircuitos. Inconveniente: puede malgastarse mucha potencia en comparación con el seguidor de emisor.
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ELEMENTOS DEL REGULADOR EN SERIE Una fuente de tensión regulada usa, normalmente, un circuito automático de control que detecta las variaciones de la tensión de salida y los corrige automáticamente. Los elementos de un sistema de control son: 1.- Elemento de referencia 2.- Elemento de muestra 3.- Elemento comparador 4.- Amplificación de la señal de error. 5.- Elemento de Control.
ELEMENTO DE REFERENCIA Da una tensión de referencia lo más estable posible, bajo un amplio margen de corriente de funcionamiento. Generalmente está constituido por un diodo Zener y su resistencia de polarización. Se suele conectar a la salida, aunque puede hacerse a la alimentación de entrada.
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De la figura obtenemos que:
Por tanto, VZ varía poco con respecto a VS
ELEMENTO DE MUESTRA Da una señal proporcional a la de la salida. Suele ser un divisor de tensión resistivo, con un pequeño ajuste, situado a la salida de la fuente
Los valores de R1, R2, P deben ser >> RL para evitar una posible fuga de corriente. De la figura obtenemos que:
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Para que el consumo del sistema de regulación sea bajo:
ELEMENTO COMPARADOR
Analiza en cada instante la señal proveniente del elemento de muestra con la fija de referencia de forma que intenta equilibrar las variaciones producidas a la salida. Generalmente deberá ser un transistor o un amplificador operacional. Existen 2 circuitos típicos para tensión de salida alta o baja.
A) COMPARADOR DE BAJA TENSIÓN (VS BAJA) Con transistor: Si VS aumentaVBE aumenta IC del transistor es mayor
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Con amplificador operacional
B) COMPARADOR DE ALTA TENSIÓN (VS ALTA) Transistor con base en el elemento de referencia
Transistor con base en el elemento de muestra
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C)
COMPARADOR CON AMPLIFICADOR DIFERENCIAL En los casos en que es necesaria una alta compensación térmica, se usa un amplificador diferencial, con dos transistores idénticos. Para VS baja
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Para VS alta
AMPLIFICADOR DE LA SEÑAL DE ERROR Está formado por un amplificador de acoplo directo, en muchos casos constituidos por un solo transistor
Este elemento amplifica las variaciones producidas en el comparador y las eleva a un nivel tal que puedan excitar al bloque de control.
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ELEMENTO DE CONTROL
Su misión es la de controlar las variaciones de la tensión de salida, aumentando o disminuyendo su caída de tensión colector-emisor, así como la de permitir la circulación de la corriente necesaria a la salida. Su diseño puede ser una conexión Darlington con una resistencia R que se comporta como una fuente de corriente constante (I) denominada Prerregulador
Una mejor solución es usar un transistor con salida por colector como muestra la figura de la derecha.
REGULADOR SERIE COMPLETO En la figura se muestra el montaje de un regulador serie.
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Practica 2
Caso práctico regulador serie completo.
Los componentes necesarios para este tipo de fuentes son: (1) transistor NPN, T1 = BD 139 o similar 50V -- 0'5 A (2) transistor NPN, T2, T4 = BD 241B o similar 50V -- 1'5A (1) transistor NPN, T3 = 2N3055 o similar 80V -- 3A (3) diodos 1N4007 (1) diodo LED rojo 5 m/m (1) condensador electrolítico C1 200 uf/63V (1) condensador cerámico de 47 a 100nf (1) puente rectificador de 5 A (9) resistencias de 1/4 de vatio (3) resistencias de 5 vatios 0'5 W (2) potenciómetros de 10kW (1) relé Rl de un contacto N.O. (1) transformador de red 220V - 15V : 3 o 5 A (1) pulsador M y refrigeradores adecuados.
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EL CIRCUITO PRÁCTICO. Con estos ejemplos se dispone de unos esquemas sobre fuentes de alimentación reguladas que pueden servir como punto de partida para otros proyectos y porqué no, ellas mismas tal cual, pueden sacarnos de un apuro con unos pocos componentes y un poco de nuestro tiempo. Alguien puede decidirse por trazar las pista por el sistema de rombos, cubos y rectángulos, por que le lleva menos trabajo, aunque esto no es importante. Esto, consiste en trazar unas líneas entre lo que serán los terminales de los diferentes componentes, separando de esta manera los trazos que representan las pistas, las dichas líneas, serán el cobre que se comerá la solución ácida que se emplee para su realización. En la práctica, la placa de circuito impreso o PCB, con el puente rectificador y el condensador electrolítico. El regulador LM317, se debe montar directamente sobre el refrigerador, aplicándole silicona de contacto y por seguridad un separador aislante y conectar al PCB mediante hilo de 2 m/m de sección, las pistas de conexión generales se representan con mayor espesor, se ve claramente debe ser de unos 3 m/m de ancho soportan más intensidad, las salidas para el potenciómetro que estará en el panel, se harán con hilo de conexión de 1.25 m/m de sección. El led, deberá instalarse en el panel.
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Los trazos negros, representan las pistas del circuito impreso y son las únicas de la placa pcb. El transformador necesario, ha de disponer de dos secundarios de 18V y 1,5A, cada uno, como se verá estos están sobre dimensionados por seguridad. Los puentes rectificadores deben ser del tipo metálico con terminales faston, el terminal positivo tiene un resalte en la caja aparte de estar marcado al lado de éste. Los terminales con una (S) deben conectarse cada uno, mediante hilo de sección de 2 m/m a cada terminal del mismo secundario, el otro rectificador, se conectará de igual modo al otro secundario del transformador, con esto disponemos de dos tensiones más o menos iguales en las respectivas salidas de ambos rectificadores.
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Por otra parte, debemos preparar un dibujo de las pistas que, se ajuste al esquema adjunto, sobre una placa de fibra de vidrio de manera que nos pueda dar mejores resultados y sea más fiable. Cada uno puede trazar las pistas como mejor le parezca, pero, debe guardar ciertas reglas, una de las más importantes es la separación entre pistas no debe ser inferior a 2 m/m en el peor de los casos, otra es el espesor, debe observarse que las pista con mayor consumo, han de soportar más paso de corriente y deben ser de mayor espesor unos 2 o 3 m/m será suficiente para el ej. Y procurar trazos lo más cortos posible, las esquinas sin picos. Necesitamos tres condensadores electrolíticos (son los que tienen polaridad), con una capacidad en este caso concreto de 2.000 uf/63V, para evitar en lo posible el rizado de alterna, se utiliza esta alta capacidad para más seguridad, cuando se exija el máximo de corriente. La tensión de +5V, la obtendremos del puente que representa el punto más positivo en el montaje, como se aprecia en el esquema general. Los reguladores que utilizaremos en esta ocasión, son de 5V y 12V, con las referencias 7805, 7812 y 7912 el encapsulado, del tipo TO220AB, de esta manera se pueden atornillar sobre disipadores diferentes, Atención cada uno por separado, salvo que se disponga entre cada cápsula y el disipador un separador aislante, en este caso puede usarse un disipador único, ya que el terminal central de los reguladores 7812 y 7912, es de signo de tensión diferente y se estropearían inmediatamente si no se respetan estas reglas.
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La imagen anterior consta de dos partes, en la superior, el fondo negro, representa el cobre de la placa de fibra de vidrio o baquelita en su caso, las líneas blancas son las separaciones entre componentes, las cuales, es lo que el ácido 'quitará', los trazos de color son las siluetas de los componentes y los cubos blancos son los 'pads', para las patillas de los componentes, los cuadrados de las esquinas, son para los pasadores de los tornillos que sujetaran la placa al chasis. En la parte inferior se presenta el negativo, visto por la parte de las pistas.
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Este, es otro esquema con el cual podemos construir una fuente simétrica para nuestro propio laboratorio o taller de reparaciones. En ocasiones se necesita una fuente de alimentación regulada con varias tensiones, siendo lo más habitual encontrar en el comercio las tensiones de +12V y -12V. Ahora repasaremos el esquema de una fuente de estas características que nos proporcione a su salida una corriente de 1A en cada salida.
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El punto común de masa, se refiere a las tensiones de +12V y -12V, las cuales se dice que son simétricas, en cambio la salida de +5V es independiente. EL CIRCUITO CON EL I.C. µA723 Un circuito integrado bastante utilizado para realizar fuentes de alimentación ajustables, es el popular µA723PC encapsulado DIL de 14 patillas, el cual admite una elevada tensión de entrada de 40V que dopándola puede llegar sobre los 120V dando una salida ajustable entre 2V y 37V a 150 mA, pero en algunos casos como en fuentes para transmisión, se vuelve bastante inestable, por lo que respecta a mi experiencia. En ciertas revistas especializadas del sector, se pueden encontrar esquemas mucho más elaborados a los que se les puede exigir mayores prestaciones, tales como que, la salida parta de 0V y no de 1' 7V, que sea cortocircuitable, ajustable en corriente de salida, entre otras. En ciertas revistas especializadas del sector, se pueden encontrar esquemas mucho más elaborados a los que se les puede exigir mayores prestaciones, tales como que, la salida parta de 0V y no de los 1' 7V, como que sea cortocircuitable, ajustable en corriente de salida, entre otras. En la siguiente, se muestra el esquema básico de la alimentación propuesta con un LM723D y debajo el circuito de aplicación, visto por la cara de los componentes porque es muy sencillo consideramos que no requiere mayores descripciones.
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1.2 Sistemas monofásicos, bifásicos y trifásicos
Identificar los sistemas: monofásicos, bifásicos y trifásicos con conexiones delta y estrella con puesta a tierra. Efectuar mediciones de voltaje, secuencia de fases en un sistema monofásico, bifásico y trifásico.
Introducción y principios básicos Corriente Alterna (AC) Normalmente la tensión presente en las instalaciones eléctricas no tiene siempre el mismo valor, sino que varía con el tiempo, siendo en la mayoría de los casos alterna senoidal.
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Una corriente alterna senoidal es aquella que cambia de sentido en el tiempo y que toma valores según la función matemática seno, repitiéndose de forma periódica. Ventajas de AC: -Los generadores de AC son más sencillos y eficaces que los generadores DC. -La distribución/transporte es más económica y eficaz (ALTA TENSIÓN). -La elevación/reducción de tensión se realiza con altos rendimientos y bajo coste (Transformadores).
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Características señal AC
-Frecuencia (50Hz) /Periodo (20 ms). -Valor máximo amplitud (311 V). -Valor Instantáneo
-Valor eficaz (220V): “Valor equivalente en continua que consume la misma potencia que la señal alterna sobre una carga resistiva”. Es el valor más importante pues con él se obtiene matemáticamente los mismos resultados que operando con valores instantáneos, realizando operaciones mucho más sencillas
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Componente alterna de una tensión (VAC):
Representación señal AC:
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Componentes en AC En corriente alterna existen componentes cuya oposición al paso de corriente es proporcional a la frecuencia de la corriente, de forma que al variar ésta presentan un valor de resistencia distinto. A esa oposición al paso de la corriente, que es variable con la frecuencia, se le llama impedancia (Z) y suele estar constituida por dos términos: la resistencia (R), que no varía con la frecuencia y la reactancia (X) que es el término que indica la resistencia que presenta un determinado componente para una frecuencia . Se cuantifica mediante un número complejo: Z=R+jX
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Potencia eléctrica
En corriente alterna la potencia entregada depende de la carga conectada al circuito y más concretamente al desfase que provoque la carga entre v e i. Si la carga es resistiva pura, la tensión y la corriente están en fase, en este caso la potencia es siempre de signo positivo (ya que tensión y corriente tienen el mismo signo en cada instante) y su valor es el producto de los valores eficaces de la tensión por la corriente.
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Si la tensión y la corriente no están en fase la potencia activa es igual al producto de la tensión por la corriente eficaces multiplicados por un factor reductor llamado factor de potencia , menor o igual a la unidad, que representa la relación entre la potencia entregada a la carga y la potencia consumida (y por tanto aprovechada) por la misma. Cuanto más pequeño sea el factor de potencia menor será la potencia aprovechada. La potencia aprovechada es la potencia activa (P). Se mide en watios [W]. La potencia aparente (S) es la que circula por los conductores y se mide en voltioamperios [VA]. La potencia reactiva (Q) es una potencia que no es consumida por la carga sino que está continuamente circulando entre la carga y el generador . Provoca pérdidas al hacer circular más corriente de la necesaria por los conductores y hace que deban sobredimensionarse. Se mide en voltioamperios reactivos [VAr].
Potencia eléctrica instantánea p(t)
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Potencia Activa (REAL) P Es aquella que consume la carga resistiva. Es el valor medio de la potencia instantánea.
Si la carga el L o C desfase entre V e I 90º P=0. Se mide en Watios
Potencia Reactiva Q No se consume, circula entre las cargas y el generador provocando pérdidas. Q =VIsen(θ )
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Se mide en [VAr] Voltio Amperios reactivos. Si θ > 0
V Adelantado respecto de I, Q es positiva, carga RL absorbe VArs
Si θ < 0
V retrasado respecto de I, Q es negativa, carga RC genera VArs
Potencia Compleja (Aparente) S El máximo valor de la potencia es igual al producto de los valores eficaces de voltaje y corriente. Se denomina potencia aparente y se mide en Voltio Amperios[VA]. Es una potencia compleja, siendo la suma de los vectores de la potencia real (P) y de la potencia reactiva (Q). La relación entredichos vectores se muestra en el triángulo de potencias:
Factor de Potencia PF Indica la parte de la potencia suministrada (aparente) se consume en la carga (activa).
PF=1 Caso ideal. PF<0.8 Mala utilización de la línea
Corrección del Factor de Potencia Las cargas normalmente son inductivas. Para corregir el factor de potencia se compensan dichas cargas con la conexión de condensadores.
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Circuitos Trifásicos Sistema trifásico equilibrado: Formado por tres fuentes de voltaje de la misma magnitud, desfasadas 120 º.
Las tres fuentes de voltaje se conocen como FASES, 3 conductores distintos (R,S,T). Solo se necesita 1 conductor de retorno NEUTRO (N). En los sistemas trifásicos se dan dos valores de tensión distintos: el existente entre una cualquiera de las fases y el neutro (tensión de fase/simple 220V) y el que hay entre dos fases cualquiera (tensión de línea/compuesta 381V). Ventajas Circuitos Trifásicos -La posibilidad de disponer de dos tensiones distintas, la más alta para receptores de mucho consumo y la otra menor para consumos domésticos. -Menores pérdidas en el transporte de energía y por tanto uso de conductores de menor sección.
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-Las máquinas trifásicas tienen un par (torque) menos ondulado que las monofásicas (mejor rendimiento). -Mejor rendimiento en los receptores y en los generadores trifásicos que en los monofásicos.
Conexiones Estrella y Triangulo Hay dos maneras de conectar las fuentes o las cargas trifásicas:
Conexión Estrella (Y)
Conexión Triangulo (Δ)
Conexión estrella (Y) Relaciones de voltaje
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Conexión estrella (Y)
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Conexión estrella (Y) Relaciones de corriente: Corriente de fase y de línea son iguales.
Resumen conexión Y: -Voltajes de línea son mayores que los de fase en -Voltajes compuestos adelantan al voltaje de fase en 30º -Corrientes de línea son iguales a las corrientes de fase.
Conexión triangulo (Δ) Conexión de impedancias en Δ
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Conexión triangulo (Δ) Conexión de fuentes en Δ, sistema equilibrado
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Conexión triangulo (Δ)
Resumen conexión Δ : -Intensidades de línea son mayores que los de fase en -Intensidades de línea retrasan a la intensidad de fase en 30º -Voltajes de línea son iguales a los voltajes de fase.
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Conversión de impedancias estrella-triangulo
Potencia en circuitos trifásico La potencia entregada a la carga es la suma de las potencias entregadas por cada fase.
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Compensación Factor de Potencia en circuitos trifásico Igual que en los sistemas monofásicos.
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Compensación Factor de Potencia en circuitos trifásico
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Medida de potencia en sistemas trifásicos Método 3 Watimetros (4Hilos)
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1.3
Conexiones eléctricas
Identificar las normas (NOM-001-SEDE-2005) en empalme y conexiones eléctricas. Realizar los empalmes y conexiones eléctricas empleados en los sistemas eléctricos aplicando la normatividad vigente.
370 – CAJAS, CAJAS DE PASO Y SUS ACCESORIOS, UTILIZADOS PARA SALIDA, EMPALME, UNION O JALADO
370-2. Cajas redondas. No deben utilizarse cajas redondas donde los tubos o conectores requieran el uso de tuercas o boquillas para conectarse en un lado de la caja. 370-3. Cajas no metálicas. Sólo se permite utilizar cajas no metálicas en alambrados expuestos, sobre aisladores, en alambrados ocultos sobre aisladores, con cables de recubrimiento no metálico y con canalizaciones no metálicas. Excepción 1: Cuando se proporcionen medios internos de puenteo para todas las entradas, se permite utilizar cajas no metálicas con canalizaciones metálicas o con cables con recubrimiento metálico.
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Excepción 2: Se permite utilizar cajas no metálicas con canalizaciones metálicas o cables con cubierta metálica cuando exista un medio integral de unión con posibilidad de conectar un puente de tierra del equipo dentro de la caja entre todas las entradas a rosca de las cajas no metálicas aprobadas y listadas para este uso. 370-4. Cajas metálicas. Todas las cajas metálicas deben estar puestas a tierra, de acuerdo con lo establecido en el Artículo 250. 370-5. Cajas de paso de radio reducido. Las cajas de paso, como los codos con tapas y los codos de entrada de acometidas dentro de los cuales se instalen conductores de tamaño nominal de 13,3 mm2 (6 AWG) o menores, y que sólo estén previstos para completar la instalación de la canalización y los conductores contenidos en ella, no deben contener empalmes, salidas ni dispositivos y deben ser de tamaño suficiente como para dejar espacio libre para todos los conductores incluidos en ellos. 370-1 6. Número de conductores en las cajas de salidas, de dispositivos y de unión y en las cajas de paso. Las cajas y cajas de paso deben ser de tamaño suficiente para que quede espacio libre para todos los conductores instalados. En ningún caso el volumen de la caja, calculado como se especifica en el siguiente inciso (a), debe ser menor que el volumen ocupado calculado como se indica en el siguiente inciso (b). El volumen mínimo de las cajas de paso debe calcularse según el siguiente inciso (c). Las disposiciones de esta Sección no se aplican a las terminales que se suministran con los motores. Véase 430-12. Las cajas y cajas de paso en las que se instalen conductores de tamaño nominal de 21,2 mm2 (4 AWG) o mayores deben cumplir también lo establecido en 370-28. a) Cálculo del volumen de la caja. El volumen de una caja de alambrado debe ser el volumen total de todas las secciones ensambladas y, donde se utilice el espacio proporcionado por las tapas que incrementan el volumen, anillos de extensión,
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etcétera, que estén marcados con su volumen en centímetros cúbicos o que se fabriquen con cajas cuyas dimensiones estén listadas en la Tabla 370-16(a).
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1) Cajas normalizadas. El volumen de las cajas normalizadas que no estén marcadas en cm3, debe corresponder a la Tabla 370-16(a). 2) Otras cajas. Las cajas de 1640 cm3 o menos, distintas de las descritas en la Tabla 370-16(a) y las cajas no metálicas, deben ir marcadas por el fabricante de modo legible y duradero con su volumen en cm3. Las cajas descritas en la Tabla 370-16(a) que tengan mayor volumen del indicado en la tabla, pueden tener marcado su volumen en cm3 como exige esta Sección. b) Cálculo del volumen ocupado. Se deben sumar los volúmenes de los siguientes párrafos (1) a (5). No se exigen tolerancias de volumen para accesorios pequeños, como tuercas y boquillas. 1) Volumen ocupado por los conductores. Cada conductor que proceda de fuera de la caja y termine o esté empalmado dentro de la caja, se debe contar una vez; cada conductor que pase a través de la caja sin empalmes ni terminaciones, se debe contar una vez. El volumen ocupado por los conductores en cm3 se debe calcular a partir de la Tabla 370-16(b). No se deben contar los conductores que no salgan de la caja. Excepción: Se permite omitir de los cálculos los conductores de puesta a tierra de equipo o no más de cuatro conductores de equipo de tamaño nominal menor que 2,08 mm 2 (14 AWG) o ambos, cuando entren en una caja procedentes de un aparato bajo un domo, marquesina o similar y que terminen en la caja. TABLA 370-16(b).- Espacio libre en la caja para cada conductor
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2) Volumen ocupado por las abrazaderas. Donde haya una o más abrazaderas internas para cables, suministradas de fábrica o instaladas en obra, se debe dejar un volumen tal como el que se indica en la Tabla 370-16(b) para el conductor de mayor tamaño nominal que haya en la caja. No se deben dejar tolerancias de volumen para conectores cuyo mecanismo de sujeción quede fuera de la caja. 3) Volumen ocupado por los accesorios de soporte. Cuando haya en la caja uno o más accesorios o casquillos para aparatos se debe dejar un volumen tal como el que se indica en la Tabla 370-16(b) para el conductor de mayor tamaño nominal que haya en la caja por cada accesorio. 4) Volumen ocupado por equipos o dispositivos. Para cada chasis que contenga uno o más equipos o artefactos eléctricos, se debe dejar un volumen doble del que se indica en la Tabla 370-16(b) para el conductor de mayor tamaño nominal que haya en la caja por cada equipo o artefacto eléctrico soportado por ese chasis. 5) Volumen ocupado por los conductores de puesta a tierra de equipo. Cuando entre en una caja uno o más conductores de puesta a tierra de equipo, se debe dejar un volumen tal como el que se indica en la Tabla 370-16(b) para el conductor de tierra de mayor tamaño nominal que haya en la caja. Cuando en la
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caja se encuentren otros conductores de puesta a tierra de equipo, como se permite en la Excepción 4 de 250-74, se debe calcular un volumen adicional equivalente al del conductor adicional de tierra, de mayor tamaño nominal. c) Cajas de paso. Las cajas de paso que contengan conductores de tamaño nominal de 13,3 mm2 (6 AWG) o menores, y que sean distintas a las cajas de paso de radio reducido descritos en 370-5, deben tener un área de sección transversal no menor que el doble del área de la sección transversal del mayor tubo (conduit) al que estén unidas. El número máximo de conductores permitidos debe corresponder al número máximo permitido por la Tabla 10-1 del Capítulo 10 para el tubo (conduit) unido al registro. Las cajas de paso no deben contener empalmes, conexiones ni dispositivos excepto si están marcados por el fabricante de modo legible y duradero con su capacidad en cm3. El número máximo de conductores se debe calcular mediante el mismo procedimiento para conductores similares en cajas distintas a las normalizadas. Las cajas de paso se deben sujetar de modo que queden rígidas y seguras. 370-1 7. Conductores que entran en cajas, cajas de paso o accesorios. Los conductores que entren en cajas, cajas de paso o accesorios deben ir protegidos contra la abrasión y cumplir con las siguientes disposiciones: a) Aberturas que se deben cerrar. Las aberturas por las que entran los conductores se deben cerrar adecuadamente. b) Cajas y cajas de paso metálicas. Cuando se instalen cajas o cajas de paso metálicas en alambrado expuesto o en alambrados ocultos sobre aisladores, los conductores deben entrar a través de boquillas aislantes o en los lugares secos, a través de tubos flexibles que se extiendan desde el último soporte aislante y que estén firmemente sujetos a la caja o registro. Cuando haya un tubo (conduit) o
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cable instalados con cajas o cajas de paso metálicas, la tubería o el cable deben ir sujetos adecuadamente a dichas cajas o cajas de paso. c) Cajas no metálicas. Las cajas no metálicas deben ser adecuadas para el conductor de temperatura nominal más baja que entre en las mismas. Donde se utilicen cajas no metálicas en alambrado expuesto o en alambrados ocultos sobre aisladores, los conductores deben entrar en la caja por aberturas independientes. Donde se utilicen tubos flexibles para canalizar los conductores, los tubos deben sobresalir desde el último soporte aislante hasta no menos de 6 mm dentro de la caja. Donde se utilicen cables con recubrimiento no metálico, el conjunto del cable, incluido el recubrimiento, debe extenderse dentro de la caja no menos de 6 mm a través de una abertura en la tapa de la caja. En todos los casos, los cables deben estar sujetos a la caja por medios adecuados. Excepción: No es necesario sujetar el cable a la caja cuando se utilicen cables con recubrimiento no metálico en cajas de tamaño no mayor que 5,7 cm x 10,2 cm montadas en paredes o techos y si el cable está sujeto a menos de 20 cm de la caja, medidas a lo largo de su recubrimiento y si este recubrimiento se extiende a través de una tapa en una longitud no menor que 6 mm. Se permite que pasen varios cables por una sola abertura de la tapa. d) Conductores de tamaño nominal de 21,2 mm2 (4 AWG) o mayores. La instalación debe cumplir lo establecido en 300-4(f). 370-1 8. Aberturas no utilizadas. Las aberturas para cables o canalizaciones en cajas y cajas de paso que no se utilicen, se deben cerrar eficazmente de modo que ofrezcan una protección prácticamente igual que la de la pared de la caja o registro. Si se utilizan tapas o chapas metálicas en cajas o cajas de paso no metálicas deben introducirse como mínimo 6 mm por debajo de la superficie externa de las cajas. 370-1 9. Cajas con dispositivos montados a nivel. En las cajas utilizadas para instalar dispositivos que queden a nivel, su diseño debe ser tal que los dispositivos
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queden perfectamente encerrados por detrás y por los lados y firmemente sujetos. Los tornillos de sujeción de las cajas no se deben utilizar para sujetar los dispositivos instalados dentro de las mismas. 370-20. En paredes o techos. En las paredes o techos de concreto, azulejo u otro material no combustible, las cajas se deben instalar de modo que su borde delantero no quede más de 6 mm por debajo de la superficie terminada. En las paredes y techos de madera u otro material combustible, las cajas deben quedar a nivel con la superficie terminada o sobresalir de ella. 370-23. Soportes. Los envolventes o cubiertas a los que se refiere el Artículo 370 deben estar rígidamente sujetas, de acuerdo con lo indicado en los siguientes incisos. a) Montaje sobre superficies. Los envolventes o cubiertas deben ir sujetas a la superficie sobre la que van montadas, a no ser que dicha superficie no ofrezca un soporte adecuado, en cuyo caso se deben sujetar según lo establecido en (b). b) Montaje estructural. Las cubiertas se deben sujetar rígidamente a un miembro de la estructura del edificio, directamente en el piso o mediante accesorios de fijación de metal, polímeros o madera. 1) Clavos y tornillos. Si se utilizan clavos o tornillos como medios de sujeción, deben emplearse mediante accesorios de fijación, o se permite que pasen a través del interior de la envolvente si están situados a menos de 6 mm del fondo o extremos de la envolvente. 2) Los accesorios de fijación metálicos deben estar protegidos contra la corrosión y tener un espesor de metal no menor que 0,5 mm sin recubrir. Los accesorios de fijación de madera deben tener un área de sección transversal no menor que la nominal de 2,5 cm x 5,1 cm. Los accesorios de fijación de madera en lugares húmedos se deben tratar de acuerdo con esa circunstancia. Los accesorios de fijación de polímeros deben estar aprobados e identificados para poder instalarse en ese uso.
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Montaje no estructural. Se permite instalarlas a nivel de las superficies cubiertas existentes cuando ofrezcan soporte adecuado por medio de abrazaderas, anclajes o accesorios. Se permite utilizar los miembros del armazón de los techos suspendidos como soporte, si esos miembros están adecuadamente soportados y sujetos entre sí y a la estructura del edificio. Las cubiertas así soportadas se deben sujetar al armazón por medios mecánicos como pernos, tornillos o remaches. También se permite usar clips aprobados e identificados para su uso con ese tipo de armazón de techo y cubierta. d) Canalizaciones sujetando envolventes, sin aparatos ni dispositivos. Los envolventes que no tengan más de 1 640 cm3 de tamaño nominal y tengan entradas roscadas o conectores aprobados e identificados para ese uso y que no contengan
dispositivos
ni
aparatos
de
soporte,
se
deben
considerar
adecuadamente soportadas cuando lleven conectadas al envolvente dos o más tubos roscados firmemente apretados con llave y cuando cada uno de los tubos esté soportado a menos de 91 cm del envolvente a dos o más lados, de modo que presente un conjunto rígido y seguro como establece esta Sección de la norma. Excepción: Se permite utilizar como soporte de las cajas de paso los tubos (conduit) pesados, semipesados, ligeros y los no metálicos pesados, siempre que las cajas de paso no sean de mayor tamaño nominal que el del tubo (conduit) metálico de mayor tamaño nominal. Se debe considerar que dichos envolventes están adecuadamente apoyados si cumplen con lo establecido en 370-23(e). e) Canalizaciones que sujetan envolventes, con aparatos o dispositivos. Los envolventes que no tengan más de 1 640 cm3 de volumen y tengan conectores roscados aprobados e identificados para ese uso y que contengan dispositivos, aparatos o ambos, deben considerarse adecuadamente apoyados cuando lleven conectados al envolvente o a los conectores dos o más tubo (conduit) roscados bien apretados con llave y cuando cada uno de ellos esté apoyado a menos de
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457 mm a dos o más lados del envolvente, de modo que presente un conjunto rígido y seguro como establece esta Sección de la norma. Excepción 1: Se permite utilizar como soporte de las cajas de paso, tubo (conduit) metálico tipo pesado o semipesado, siempre que las cajas de paso no sean de diámetro nominal igual que el del tubo (conduit) metálico de mayor diámetro nominal. Excepción 2: Se permite utilizar como soporte de las cajas utilizadas a su vez como soporte de aparatos, un tramo continuo de tubo (conduit) metálico tipo pesado o semipesado o apoyar una cubierta de cables en un aparato en vez de una caja, de acuerdo con lo indicado en 300-15(d), cuando se cumplan las condiciones siguientes: a). Que el tubo (conduit) esté firmemente sujeto a un punto de modo que la longitud del mismo después del último punto de soporte del mismo no sea mayor que 91 cm. b). Que la longitud del tubo (conduit) antes del último punto de soporte sea de 30 cm o mayor. c). Que, cuando sea accesible a personas no calificadas, el aparato esté como mínimo a 2,44 m por encima del piso o zona de paso, medidos hasta su punto más bajo, y como mínimo a 91 cm, medidos en horizontal, de la elevación de 2,44 m desde las ventanas, puertas, cobertizos, salidas de incendios o similares. d). Que un aparato soportado por un solo tubo (conduit) no tenga más de 30 cm en cualquier dirección desde el punto de entrada del mismo. e). Que el peso soportado por cualquier tubo (conduit) individual no supere 9 kg. f). Que el tubo (conduit) esté atornillado y apretado con llave por sus extremos a la caja o gabinete de los cables o a los conectores aprobados e identificados para ese fin. f) Cajas en concreto o mampostería. Se permite empotrar las cajas en concreto o en mampostería.
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g) Cajas colgantes. Se permite que las cajas estén colgadas, de acuerdo con las siguientes condiciones: 1) Cordón flexible. Se permite que las cajas estén soportadas por un cordón flexible multiconductor, de manera aprobada y que proteja a los conductores contra esfuerzos, por ejemplo, mediante un conector roscado a la caja y sujeto con una tuerca. 2) Tubo (conduit). Se permite que las cajas que soporten portalámparas o elementos de alumbrado o los envolventes del alambrado utilizados en lugar de cajas de acuerdo con lo indicado en 300-15(d), estén soportadas por tubo (conduit) tipo pesado o semipesado en tramos superiores a 455 mm, si los tramos están conectados al sistema de alambrado por medio de accesorios flexibles adecuados para el lugar en cuestión. En el extremo del aparato, el tubo (conduit) debe estar roscado y apretado con llave al envolvente del alambrado o a conectores aprobados e identificados para ese uso. Donde estén soportadas por un solo tubo (conduit), se debe evitar que las juntas roscadas se aflojen utilizando tornillos pasados u otro medio eficaz o el aparato debe estar en cualquier punto a 2,5 m sobre el piso o zona de paso y a un mínimo de 91 cm medidos horizontalmente de la elevación de 2,5 m de las ventanas, puertas, cobertizos, salidas de incendios o elementos similares. Un aparato apoyado en un solo tubo no debe estar a más de 3 m en cualquier dirección horizontal del punto de entrada del tubo (conduit). 370-25. Tapas sencillas y ornamentales. En las instalaciones una vez terminadas, todas las cajas deben tener una tapa, una placa de cierre o una tapa ornamental. a) Tapas y placas metálicas o no metálicas. Se permite utilizar con las cajas no metálicas, tapas metálicas o no metálicas. Cuando se utilicen tapas o placas metálicas, deben cumplir los requisitos de puesta a tierra indicados en 250-42. NOTA: Para más requisitos sobre puesta a tierra, véase 410-18(a) sobre tapas ornamentales metálicas y en 380-12 y 410-56(d) para placas metálicas.
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b) Acabados de paredes o techos combustibles expuestos. Cuando se utilice una tapa o placa de cierre, todas las paredes o techos con acabados combustibles que estén expuestos y queden entre el borde de la tapa o placa y la caja de salida, se deben sellar con material no combustible. c) Cordones flexibles colgantes. Las tapas de cajas de salida y cajas de paso que tengan aberturas a través de las cuales pasen cordones flexibles colgantes, deben estar dotadas de boquillas diseñadas para ese uso o tener una superficie lisa y perfectamente redondeada en la que se puedan soportar los cables. No se Deben utilizar boquillas de goma dura o mixtas. 370-27. Cajas de salida a) Cajas en las salidas para aparatos de alumbrado. Las cajas utilizadas en las salidas para aparatos de alumbrado deben estar diseñadas para ese fin. En todas las salidas utilizadas únicamente para alumbrado, la caja debe estar diseñada o instalada de modo que se le pueda conectar el dispositivo de alumbrado. b) Cajas en el piso. Para salidas situadas en el piso se deben utilizar cajas aprobadas y listadas específicamente para esa aplicación. Excepción: Las cajas situadas en pisos elevados de escaparates y lugares similares, cuando no están expuestas a daño físico, humedad y suciedad. c) Cajas de salida para ventiladores de techo. Las cajas de salida para ventiladores no se deben utilizar como único soporte para los ventiladores de techo (de paletas). Excepción: Se permite utilizar como único medio de soporte las cajas aprobadas y listadas para esta aplicación. 370-28. Cajas de empalmes y tiro. Las cajas y cajas de paso utilizados como cajas de empalmes o de paso deben cumplir los siguientes incisos. Excepción: Las terminales suministradas con los motores deben cumplir lo establecido en 430-12.
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a) Tamaño mínimo. En canalizaciones que contengan conductores de 21,2 mm2 (4 AWG) o mayores y para los cables que contengan conductores de 21,2 mm2 (4 AWG) o mayores, las dimensiones mínimas de las cajas de empalmes o de paso instaladas en la canalización o en el tramo del cable, deben cumplir lo siguiente: 1) Tramos rectos. En los tramos rectos, la longitud de la caja no debe ser menor que ocho veces el diámetro nominal de la canalización más grande. 2) Dobleces en ángulo o en U. Cuando se hagan empalmes o dobleces en ángulo o en U, la distancia entre la entrada de cada canalización a la caja y la pared opuesta de la misma, no debe ser menor que seis veces el mayor diámetro nominal de la canalización más grande de una fila. Si se añaden nuevas entradas, esta distancia se debe aumentar en una cantidad que sea la suma de los diámetros de todas las demás canalizaciones que entran en la misma fila o por la misma pared de la caja. Cada fila debe calcularse por separado y tomar la máxima distancia. Excepción: Cuando la entrada de una canalización o de un cable esté en la pared de una caja o registro opuesta a la tapa removible y cuando la distancia desde esa pared hasta la tapa cumpla lo establecido en la columna de un cable por terminal de la Tabla 373-6(a). La distancia entre las entradas de la canalización que contenga el mismo cable no debe ser menor que seis veces el diámetro de la canalización más grande. Si en lugar del tamaño de la canalización en los anteriores incisos (a) (1) y (a) (2) se toma el tamaño nominal del cable, se debe utilizar el tamaño nominal mínimo de la canalización para el número y tamaño de los conductores del cable. 3) Se permite utilizar cajas o cajas de paso de dimensiones menores a las establecidas en los anteriores (a)(1) y (a)(2) en instalaciones con varios conductores que ocupen menos del máximo permitido en cada tubo (conduit) (de los que se utilicen en la instalación), según permite la Tabla 10-1 del Capítulo 10, siempre que la caja o caja de paso hayan sido aprobadas para ese uso y estén
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permanentemente marcados con el número y tamaño nominal máximo permitidos en los conductores. b) Conductores en cajas de empalmes o de paso. En cajas de empalmes o de paso en las que cualquiera de sus dimensiones sea superior a 1,8 m, todos los conductores deben estar instalados o sujetos de manera aprobada. c) Tapas. Todas las cajas de empalmes y de derivación y las cajas de paso deben estar dotadas de tapas compatibles que sean adecuadas para sus condiciones de uso. Si se utilizan tapas metálicas, deben cumplir los requisitos de puesta a tierra indicados en 250-42. Cualquier extensión de la tapa de una caja expuesta debe cumplir lo establecido en la Excepción de 370-22. d) Barreras permanentes. Cuando se instalen barreras permanentes en una caja, cada sección de la misma se debe considerar como una caja independiente. 370-29. Cajas de paso, cajas de empalmes, de derivación y de salida accesibles. Las cajas de paso y las cajas de empalmes, de derivación y de salida se deben instalar de tal manera que los cables contenidos dentro de las mismas sean accesibles sin tener que quitar ninguna parte del edificio o en las instalaciones subterráneas, sin tener que excavar las aceras, el pavimento, la tierra u otra sustancia que constituya el acabado de la superficie. Excepción: Se permite utilizar cajas aprobadas y listadas cuando estén cubiertas por grava, agregado fino o granulado no cohesivo si están efectivamente identificadas y son accesibles para excavaciones. 370-40. Cajas, cajas de paso y accesorios metálicos a) Resistentes a la corrosión. Las cajas, cajas de paso y accesorios metálicos deben ser resistentes a la corrosión o estar galvanizados, esmaltados o recubiertos de un modo adecuado, por dentro y por fuera, para evitar la corrosión. NOTA: Para limitaciones de uso de las cajas y accesorios protegidos contra la corrosión sólo por esmalte, véase 300-6. b) Espesor del metal. Las cajas de lámina de acero menores a 1 640 cm3 de volumen deben estar fabricadas de lámina de un espesor mínimo de 1,6 mm. La pared de una caja de hierro maleable, aluminio fundido, bronce, o cajas de paso, no debe tener menos de 2,38 mm de espesor. Las cajas o cajas de paso de otros metales deben tener un espesor de pared no menor que 3,17 mm. Excepción 1: Las cajas y cajas de paso aprobadas y listadas que demuestren tener una resistencia y características equivalentes, pueden estar hechos de metal más delgado o de otros metales.
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Excepción 2: Se permite que las paredes de cajas de paso de radio reducido, de los que trata la Sección 370-5, estén fabricadas de metal más delgado. c) Cajas metálicas de más de 1 640 cm3. Las cajas metálicas de tamaño superior a 1 640 cm3 deben estar construidas de modo que sean suficientemente resistentes y rígidas. Si son de placa de acero, el espesor del metal no debe ser menor que 1,35 mm sin recubrir. d) Puesta a tierra. En todas las cajas metálicas debe estar prevista la conexión de un conductor de puesta a tierra de equipo. Se permite que esa conexión se haga en un orificio roscado o equivalente. 370-41. Tapas. Las tapas metálicas deben ser del mismo material que la caja o el registro en el que vayan instaladas, o deben ir forradas de un material aislante firmemente adherido de un espesor no menor que 0,79 mm o estar aprobadas y listadas para ese uso. Las tapas metálicas deben ser del mismo espesor que las cajas o cajas de paso en las que se utilicen o deben estar aprobadas y listadas para ese uso. Se permite tapas de porcelana u otro material aislante aprobado si tienen un espesor y forma que proporcione la misma resistencia y protección. 370-42. Boquillas. Las tapas de las cajas de salida y cajas de paso que tengan aberturas a través de los cuales puedan pasar cables flexibles, deben estar dotadas de boquillas aprobadas o tener una superficie lisa y perfectamente redondeada sobre la que haga el recorrido el cable. Cuando pasen por una tapa metálica conductores separados, cada conductor debe pasar por un agujero independiente equipado con una boquilla de material aislante adecuado. Dichas aberturas deben estar conectadas por ranuras, como se exigen 300-20. 370-43. Cajas no metálicas. Los elementos de soporte u otros medios de montaje de las cajas no metálicas deben estar situados fuera de la caja o estar construidos de manera que se evite el contacto entre los conductores alojados dentro de la caja y los tornillos de sujeción. 370-70. Disposiciones generales. Además de las disposiciones generales del Artículo 370, se deben aplicar las disposiciones normativas indicadas en 370-71 y 370-72. 370-71. Tamaño de las cajas de empalmes y de paso. Las cajas de empalmes y de paso deben tener dimensiones y espacio suficiente para la instalación de los conductores y deben cumplir los requisitos específicos de esta Sección. Excepción: Las terminales suministradas con los motores deben cumplir lo establecido en 430-12.
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a) Para derivaciones rectas. La longitud de la caja no debe ser menor que 48 veces el diámetro exterior total (sobre el recubrimiento) del mayor conductor blindado o recubierto de plomo o del mayor cable que entre en la caja. En el caso de conductores o cables no blindados, la longitud de la caja no debe ser menor que 32 veces el diámetro exterior del mayor de ellos. b) Para derivaciones en ángulo o en U 1) La distancia entre la entrada de cada cable o conductor a la caja y la pared opuesta de la misma, no debe ser menor que 36 veces el diámetro exterior sobre el recubrimiento del mayor de los cables o conductores. Si hay otras entradas, esta distancia se debe aumentar en la suma de los diámetros exteriores sobre el revestimiento de todos los cables o conductores que entren a la caja por la misma pared. Excepción 1: Si la entrada de un conductor o cable en una caja está en la pared opuesta a la tapa removible, se permite que la distancia desde esa pared hasta la tapa sea no menor que el radio de curvatura de los conductores, como se establece en 300-34. Excepción 2: Si los cables son no blindados y no recubiertos de plomo, se permite que la distancia de 36 veces su diámetro exterior se reduzca a 24 veces dicho diámetro. 2) La distancia entre la entrada de un cable o conductor a la caja y su salida de la misma no debe ser menor que 36 veces el diámetro exterior incluyendo el recubrimiento de ese cable o conductor. Excepción: Si los cables son no blindados y no recubiertos de plomo, se permite que la distancia de 36 veces su diámetro exterior se reduzca a 24 veces dicho diámetro. c) Laterales removibles. Uno o más laterales de las cajas de derivación deben ser removibles. 370-72. Requisitos de construcción e instalación a) Protección contra la corrosión. Las cajas deben estar fabricadas de material intrínsecamente resistente a la corrosión o estar bien protegidas, tanto por dentro como por fuera, por esmalte, galvanización, chapado u otro medio. b) Paso a través de muros divisorios. Cuando sea necesario que los conductores o cables pasen a través de muros divisorios u otros elementos, se deben instalar boquillas o accesorios adecuados con bordes lisos y redondeados. c) Envolvente completo. Una caja debe formar un envolvente completo para los conductores o cables que contenga.
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d) Cables accesibles. Las cajas deben estar instaladas de manera que los cables sean accesibles sin tener que quitar ninguna parte del edificio. Debe haber espacio de trabajo suficiente según lo establecido en 110-34. e) Tapas adecuadas. Las cajas deben estar cerradas mediante tapas adecuadas firmemente sujetas. Las tapas de las cajas subterráneas que pesen más de 45 kg deben estar marcadas de modo permanente con la inscripción. “PELIGRO - ALTA TENSION ELECTRICA - ALEJESE” Las marcas deben estar en el exterior de la tapa de la caja y ser fácilmente visibles. Las letras deben ser Mayúsculas y tener como mínimo 13 mm de altura. f) Adecuadas para soportar el manejo esperado. Las cajas y sus tapas deben ser capaces de soportar el manejo al que se espere que puedan estar sometidas.
Tipos de conductores eléctricos La facilidad con que se mueven las cargas eléctricas dentro de un material, se llama conductividad eléctrica. La resistividad es la magnitud inversa a la conductividad, un material con alta resistividad, ofrecerá mayor resistencia al pasaje de corriente, o sea, será un mal conductor. La resistividad de los metales aumenta con la temperatura, y la de los semiconductores disminuye con el aumento de temperatura. Según la conductividad eléctrica, los materiales se clasifican en: conductores eléctricos, dieléctricos, semiconductores, superconductores.
Clasificación de los conductores eléctricos Es imprescindible conocer los distintos tipos de conductores empleados para conducir la electricidad a nivel doméstico. La circulación de la corriente eléctrica debe hacerse con la menor pérdida posible, por lo que elegiremos el mejor conductor, observado cómo la afecta la humedad y la temperatura.
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• Los conductores son materiales que transmiten toda la carga eléctrica que es puesta en contacto con ellos, a todo punto de su superficie. Los mejores conductores son los metales y sus aleaciones. Hay materiales no metálicos que conducen la electricidad, como el grafito, soluciones salinas, y materiales en estado de plasma. El material más empleado para el transporte de la energía eléctrica es el cobre, que se presenta en forma de cables de uno o más hilos. También se emplea el aluminio, aunque su conductividad es el 60% de la del cobre, pero su liviandad lo hace apto para las líneas de alta tensión. El oro se utiliza para condiciones especiales (ciertos circuitos en electrónica). La resistencia de los conductores eléctricos dependerá también de la longitud y grosor de los mismos. Los cables de cobre que se utilizan se diferencian en blandos, semiduros y duros, siendo mejores conductores los de cobre blando, y los de cobre duro, de mayor resistencia mecánica. Para darle flexibilidad a los cables, podemos recocer el alambre, o agregando varias hebras recocerse el alambre o agregar varios cabos. • Dieléctricos: son los materiales aislantes, que no conducen la electricidad, como: el vidrio, la cerámica, los plásticos, la goma, la mica, la cera, el papel, la madera seca, porcelana, baquelita. En realidad no existen materiales totalmente aislantes o conductores, son mejores o peores conductores eléctricos. Estos materiales se
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emplean para forrar a los conductores y evitar cortocircuitos, también para fabricar elementos para fijar los conductores a los soportes sin contacto eléctrico. El aire y el agua son aislantes en determinadas condiciones.
Practica 3 Teórica práctica de empalmes HERRAMIENTAS PARA PRÁCTICAS
Alicates de Electricista. Pinzas de Punta Redonda Pinzas de Punta Plana Pinzas de Corte Diagonal ( Cortafríos) Pela Cables Bisturí Soldador de 25w ( Cautín ) Dos metros de alambre AWG Numero: 14
INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
Multímetro digital
Clases de empalmes eléctricos
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Cómo pelar cables (alambres) Si bien puede parecer que pelar un cable (alambre) no tiene dificultad alguna, la verdad es que siempre es bueno conocer la forma correcta de hacerlo. Antes de conectar un cable a un dispositivo o unirlo a otro cable, debes primero pelarlo, es decir retirar el aislamiento o cubierta exterior del mismo. Los cables se pelan generalmente en las puntas, aunque existen ciertas situaciones que requieren remoción del aislamiento en un punto intermedio. 1.- Debemos comenzar con las herramientas adecuadas, siendo las más comunes el cuchillo cartonero (navaja), los alicates y pinzas pelacables. Estás últimas proporcionan los resultados más rápidos, limpios y seguros.
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2.- Para pelar un tramo del cable con el cuchillo, debes comenzar por marcar los puntos entre los cuales se debe retirar la capa de aislante, cuidando de no dañar el metal.
3.- A continuación, con el cuchillo inclinado, retira el tramo de aislante marcado, cuidando de no herirse ni de dañar el metal.
4.- Finalmente, raspa o pule con lija de agua el cable expuesto y límpialo con la parte sin filo (lomo) del cuchillo hasta que quede brillante.
5.- Para pelar una punta del cable con un alicate universal, comienza por ejercer una ligera presión sobre el aislante con el fin de suavizar la parte que debe salir.
6.- A continuación, marca la franja a partir de la cual debe retirarse el aislamiento. Para hacer esto simplemente coloca las cuchillas sobre el conductor y gíralo alrededor del mismo, ejerciendo en cada movimiento una presión suficiente para cortar el aislante sin tocar el metal. 7.- Por último, sin dañar el metal, empuja el aislante hacia afuera hasta que salga por completo. Una vez realizado esto, raspa o pule con lija de agua la punta del cable hasta que quede brillante. 8.- Para pelar un cable utilizando las pinzas pelacables, comienza por colocar las cuchillas de esta última alrededor
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de la franja desde donde deseas pelarlo. A continuación, selecciona el diámetro correcto para el cable en cuestión. 9.- A continuación, apriete las pinzas y retira al mismo tiempo el aislante del cable sin maltratarlo. Si las pinzas no tienen capacidad de sujeción, apriétalas para cortar y muévelas hacia afuera hasta que el tramo del aislante cortado salga completamente.
EMPALMES EN INSTALACIONES RESIDENCIALES Y COMERCIALES. Uno de los principales aspectos que debe cuidarse en la realización de cualquier tipo de instalación eléctrica son los amarres, (también llamados: empalmes, derivaciones o simplemente uniones) de los diferentes conductores, ya que de no hacerse con precisión son causa de “cortos circuitos” de consecuencias graves. Un buen amarre, empalme, derivación o unión significa un excelente contacto físico “fijo” entre dos o más alambres o cables. Cuando un empalme tiene “juego” es causa de “chispazos” lo que al final de cuentas puede ocasionar problemas mayores en la instalación eléctrica residencial y/o comercial. Existen diferentes tipos de uniones, pero las más comunes son las siguientes: Cola de rata, Western Corto, Western Largo, Derivación Simple, Derivación Doble, mismas que se muestran en la gráfica.
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Western cortó. Utilizado en líneas telegráficas. Su intención es soportar grandes esfuerzos mecánicos. Generalmente consta de dos espiras largas y cinco cortas. Western largo. Similar al anterior su objetivo es obtener mayor resistencia mecánica. Mínimo seis espiras cortas y largas. Cola de rata. Mínimo seis espiras largas y tres cortas. Una de las puntas se deja más larga que los otros (aproximadamente dos centímetros) para “cubrir” la otra punta con espiras cortas. Derivación doble. Se utiliza cuando se desea obtener dos líneas a partir de una. En los tres casos mostrados el mínimo de espiras cortas es de seis por conductor derivado y el mayor es de dieciséis. Derivación de nudo sencillo. Su objetivo es la resistencia mecánica. Mínimo seis espiras cortas.
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Derivación de nudo doble. Superior a la primera asegura un buen contacto eléctrico y una excelente resistencia a la tensión mecánica. Derivación final. Utilizada para terminar una línea. Por lo regular consta de siete espiras cortas y otras tres para terminar. Las primeras siete espiras cortas se realizan encima del conductor alimentador luego se dobla éste y se termina con otras tres espiras. Empalme recto britannia. Su realiza para unir dos alambres gruesos utilizando alambre delgado que después se suelda. Derivación de antena. Consta de aproximadamente seis espiras cortas y una larga. Asegura buen contacto al bajar el alambre de la antena. El cable de la antena debe estirarse.
Aquí tienen más amarres y otras formas de unir conductores.
Conector opresor
Derivación de nudo doble Derivación final. Nudo.
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Conector o Regleta
Capuchón
Conexiones soldables
Derivación de nudo sencillo Empalme Recto Britania Derivación de antena
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Otra opción es utilizar conectores derivadores por desplazamiento de aislamiento. EMPALMES ELÉCTRICOS Son uniones de dos o más conductores realizados para facilitar la continuidad de la corriente eléctrica. Deben hacerse mecánica y eléctricamente seguros, con el objeto de impedir recalentamiento, la oxidación y corrosión del cobre.
TIPOS DE EMPALMES
EMPALME EN PROLONGACIÓN Es de constitución firme y sencilla de empalmar, se hace preferentemente en las instalaciones visibles o de superficie.
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EMPALME EN “T” O EN DERIVACIÓN Es de gran utilidad cuando se desea derivar energía eléctrica en alimentaciones adicionales, las vueltas deben sujetarse fuertemente sobre el conductor recto. El empalme de Seguridad es utilizado cuando se desea obtener mayor ajuste mecánico.
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Empalme de Seguridad:
EMPALME TRENZADO Este tipo de empalme permite salvar la dificultad que se presenten en los sitios de poco espacio por ejemplo en las cajas de paso, donde concurren varios conductores.
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AISLAR EMPALMES: Se procederá a encintar fuertemente el empalme con cinta aislante, cubriendo cada vuelta a la mitad de la anterior. Realizando uniones, empalmes o amarres de cables (alambres) eléctricos Las uniones, empalmes o amarres se utilizan con mucha frecuencia en las instalaciones eléctricas para prolongar conductores y realizar derivaciones. A continuación, te mostramos la forma que usan los profesionales para hacer este tipo de labores. El tipo de empalme requerido para una situación dada depende del calibre y número de hilos de los conductores involucrados, y del propósito de la unión. La unión cola de rata, en particular, permite empalmar dos o más conductores dentro de cajas metálicas y se utiliza en todo tipo de instalaciones basadas en conduit (tubería metálica o plástica). 1.- Para realizar una unión cola de rata, comienza por pelar las puntas de los cables o alambres en una longitud de aproximadamente 20 veces su diámetro. Para alambres Nº 14 que tienen un diámetro de 1,62 mm, esto significa retirar un tramo de aislamiento del orden de 3 a 4 cms.
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2.- A continuación, cruza los cables o alambres en V y asegúralos en la intersección con un alicate universal. 3.- Manteniendo fijo el alicate, arrolle manualmente los cables o alambres uno sobre otro al mismo tiempo. Tuerza las puntas desnudas como si se tratara de una cuerda o reata. 4.- Sin soltar el alicate de sujeción coloque un alicate universal adicional en el otro extremo y continúe el giro con este último hasta que la unión quede apretada. Son suficientes unas cuatro o cinco vueltas de cada cable o alambre. 5.- Una vez asegurada la unión, dobla hacia atrás lo que queda de las puntas con el fin de evitar que rompan la cinta aislante (huincha aisladora). Este tipo de amarre no debe emplearse cuando los conductores están sometidos a tensión mecánica. Para este tipo de situaciones es mejor recurrir a una unión western Por último, agregar que una vez realizada la unión o empalme, este debe estañarse con soldadura para protegerlo de la corrosión y cubrirse con cinta aislante para prevenir accidentes eléctricos. Realizar extensiones de alambres (cables) con uniones tipo Western
Las uniones Western se utilizan en todo tipo de instalaciones para prolongar líneas eléctricas. Se realizan con alambres (cables) de hasta
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5,2 mm² de sección (calibre Nº 10). Este tipo de uniones entregan mucha resistencia a la tensión mecánica (estirar cables sin que se desarme o corte la unión). 1.- Para comenzar, debes pelar y limpiar las puntas de los alambres en una longitud de aproximadamente 50 veces su diámetro, dividido por 10 para obtener el largo en cms. Formula: (Diámetro alambre en mms x 50) / 10 = Largo a pelar en cms. Ejemplo: Si tenemos un alambre de 1,5 mms obtendremos el siguiente resultado: (1,5 x 50) / 10 = 7,5 cms. que debemos pelar. 2.- Una vez pelada la punta de ambos cables, debes doblar ambas puntas a unir en forma de L a unos 2,5 cms. del plástico aislante y cruzar los alambres como se muestra en la imagen. 3.- Para realizar la unión, debes sujetar los alambres con un alicate universal en el punto de cruce y manualmente o con la ayuda de otro alicate, enrollar completamente una punta sobre la otra, apretando las espiras de modo que queden muy juntas. Repite el mismo procedimiento con la otra punta, enrollando el alambre en la dirección contraria.
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El resultado es el que se muestra en la imagen, como puedes ver queda bastante firme, lo que da seguridad a la hora de realizar trabajos eléctricos. Para finalizar corta el alambre excedente, estaña la unión y cúbrela con cinta aislante . Realizando uniones (empalmes) de cables eléctrico en T.
La unión en T se utiliza para empalmar o unir un cable (alambre) a otro, con el fin de hacer una derivación o tomar una alimentación eléctrica (nueva conexión) en un punto intermedio de este último. Esta forma de unión, se utiliza en todo tipo de instalaciones y se realiza con conductores (cables) de hasta 5,2 mms de diámetro o sección Importante: Antes de comenzar, recuerda tomar todas las precauciones para evitar choques eléctricos (electrocuciones), cortando la energía eléctrica desde el medidor de luz y/o los interruptores automáticos (electromagnéticos). 1.- Para realizar esta unión o derivación en T, comienza por pelar y limpiar la punta del nuevo cable (alambre) en una longitud de aproximadamente 50 veces su diámetro. Formula: (Diámetro alambre en mms x 50) / 10 = Largo a pelar en cms.
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Ejemplo: Si tenemos un alambre de 1,5 mms obtendremos el siguiente resultado: (1,5 x 50) / 10 = 7,5 cms. que debemos pelar. Luego debes pelar el cable principal (donde sacarás la energía para la nueva extensión). Este último, también debes pelarlo en una longitud de aproximadamente 50 veces su diámetro (fórmula anterior). Hecho esto, cruzar el nuevo cable (derivador) a 90º del principal, tal como se aprecia en la fotografía. 2.- Ahora enrolla manualmente el nuevo conductor (derivado) sobre el principal asegurándose que las espiras (cable enrollado) no queden montadas entre sí sobre el plástico aislante del cable.
Si es necesario, sujeta los cables en el punto de comienzo de la unión con un alicate (pinzas) de punta plana. 3.- Finalmente aprieta las espiras con un alicate y finalmente corta el exceso de cable, estañando la unión y cubriéndola con cinta aislante. Un empalme es la unión entre dos conductores eléctricos, que se efectúa para mantener la continuidad del flujo eléctrico. Para realizar empalmes eléctricos seguros, debemos evitar los recalentamientos y falsos contactos entre conductores.
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Los dispositivos adecuados para la unión de los conductores son aquellos que aprietan los cables, sujetándolos por medio de tornillos o soldadura, y que además los mantienen aislados. Para un correcto empalme se necesitan elementos de unión como regletas, bornes, etc. El empalme tradicional requería del entrelazado de los cables, que eran fijados por medio de soldadura y luego recubiertos por cinta aislante y espagueti de plástico. Esto provocaba frecuentes fallos y cortocircuitos que podían desembocar en un serio accidente eléctrico. Este tipo de empalmes puede servirnos en una emergencia, ya que no requiere de materiales específicos, por lo que es conveniente conocer sus diversas variantes. Las regletas de conexión son seguras y vienen en diferentes materiales y formatos, tenemos de plástico, caucho y porcelana. Para realizar un empalme es necesario pelar los cables, esto se puede hacer con una herramienta específica como es el alicate pelacables, o empleando la acción combinada de un alicate (de puntas o universal) y un alicate de corte pequeño. Tomamos el cable con el de corte, a la altura que deseamos comenzar el corte, sujetamos en ese mismo punto, también con el alicate común, y luego cortamos suavemente con el de corte, haciendo palanca en el alicate común, para que deslice suavemente el forro del cable. De este modo estamos listos para hacer el empalme.
Cubrir y proteger con cinta aislante las uniones de cables eléctricos Una vez realizada una unión, esta debe protegerse mediante cinta aislante (huincha aisladora) con el fin de prevenir accidentes eléctricos como cortocircuitos y/o choques eléctricos (electrocuciones). Para este
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propósito se utiliza generalmente cinta adhesiva plástica debido a que ocupa muy poco espacio y tiene una resistencia eléctrica muy alta. Para ambientes húmedos se recomienda emplear cinta de hule. 1.- Para aislar una unión, comienza por enrollar la cinta sobre el aislamiento (plástico que recubre el cable) de un extremo a partir de una longitud ligeramente mayor que el ancho de la cinta. Desde allí manteniendo la cinta aislante tensionada, enróllala oblicuamente hasta cubrir el empalme o unión completamente, llegando al otro extremo. Cada vuelta de cinta aislante debe cubrir la vuelta anterior, como mínimo en una cuarta parte de su ancho, esto para evitar que qu2.Una vez finalizada la primera capa, coloca una segunda capa de cinta aislante enrollándola en la dirección contraria de modo que las espirales se entrecrucen. Presiona la cinta con los dedos dentro de las rendijas o huecos que se forman en las uniones de los cables, esto para mejorar la adherencia de la cinta. Pueden ser necesarias dos o tres capas de cinta aislante para conseguir un aislamiento confiable. ede el cable desnudo (cobre) al descubierto.
UNIDAD II.
Máquinas de inducción y de corriente directa OBJETIVO
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El alumno identificará las características de funcionamiento y construcción de un transformador, motor CD, motor CA para su correcta selección y conexión acorde a la normatividad vigente. RESULTADO DE APRENDIZAJE Elaborará, a partir de un caso dado, un reporte técnico que incluya:
Marco teórico
Diagramas de conexión
Herramienta empleada
Equipo de seguridad
Normas utilizadas
De conexiones físicas de un transformador, un motor eléctrico de CD y un motor eléctrico de CA.
2.1 Transformadores Identificar los tipos de transformadores, sus características de funcionamiento, construcción y aplicación. Seleccionar los tipos de transformadores de acuerdo a la normatividad vigente para aplicaciones específicas.
Principios de operación del transformador Teoría elemental
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Durante el transporte de la energía eléctrica se originan pérdidas que dependen de su intensidad. Para reducir estas pérdidas se utilizan tensiones elevadas, con las que, para la misma potencia, resultan menores intensidades. Por otra parte es necesario que en el lugar donde se aplica la energía eléctrica, la distribución se efectúe a tensiones más bajas y además se adapten las tensiones de distribución a los diversos casos de aplicación. La preferencia que tiene la corriente alterna frente a la continua radica en que la corriente alterna se puede transformar con facilidad. La utilización de corriente continua queda limitada a ciertas aplicaciones, por ejemplo, para la regulación de motores. Sin embargo, la corriente continua adquiere en los últimos tiempos una significación creciente, por ejemplo para el transporte de energía a tensiones extra altas. Para transportar energía eléctrica de sistemas que trabajan a una tensión dada a sistemas que lo hacen a una tensión deseada se utilizan los transformadores. A este proceso de cambio de tensión se le "llama transformación". El transformador es un dispositivo que convierte energía eléctrica de un cierto nivel de voltaje, en energía eléctrica de otro nivel de voltaje, por medio de la acción de un campo magnético. Esta constituido por dos o más bobinas de alambre, aisladas entre si eléctricamente por lo general y arrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferro magnético. El arrollamiento que recibe la energía eléctrica se denomina arrollamiento de entrada, con independencia si se trata del mayor (alta tensión) o menor tensión (baja tensión). El arrollamiento del que se toma la energía eléctrica a la tensión transformada se denomina arrollamiento de salida. En concordancia con ello, los lados del transformador se denominan lado de entrada y lado de salida. El arrollamiento de entrada y el de salida envuelven la misma columna del núcleo de hierro. El núcleo se construye de hierro por que tiene una gran permeabilidad, o sea, conduce muy bien el flujo magnético. En un transformador, el núcleo tiene dos misiones fundamentales:
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Desde el punto de vista eléctrico –y esta es su misión principal- es la vía por que discurre el flujo magnético. A través de las partes de la culata conduce el flujo magnético siguiendo un circuito prescrito, de una columna a otra. Desde el punto de vista mecánico es el soporte de los arrollamientos que en él se apoyan.
Para generar el flujo magnético, es decir, para magnetizar el núcleo de hierro hay que gastar energía eléctrica. Dicha energía eléctrica se toma del arrollamiento de entrada. El constante cambio de magnetización del núcleo de hierro origina pérdidas. Estas pérdidas pueden minimizarse eligiendo tipos de chapa con un bajo coeficiente de pérdidas. Además, como el campo magnético varía respecto al tiempo, en el hierro se originan tensiones que dan orígenes a corrientes parásitas, también llamadas de Foucault. Estas corrientes, asociadas con la resistencia óhmica del hierro, motivan pérdidas que pueden reducirse empleando chapas especialmente finas, de unos 0.3 mm de espesor, aisladas entre sí (apiladas). En cambio, en un núcleo de hierro macizo se producirían pérdidas por corrientes parásitas excesivamente grandes que motivarían altas temperaturas. Una vez descritos los dos principales componentes, va a tomar conocimiento del principio de la transformación: El flujo magnético, periódicamente variable en el tiempo, originado por la corriente que pasa a través del arrollamiento de entrada induce en el arrollamiento de salida una tensión que varía con la misma frecuencia. Su magnitud depende de la intensidad y de la frecuencia del flujo así como del número de vueltas que tenga el arrollamiento de salida, como se ve en la siguiente formula (ley de la inducción). E = 4.44 * 10-8 * aC * B * f * N En la que aC = sección del núcleo en pulgadas cuadradas, B = densidad máxima del flujo en líneas por pulgada cuadrada, E = tensión eficaz, f = frecuencia en Hz y
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N = número de espiras del devanado, o bien 10-9 * aC * B * f * N, expresando aC y B en cm2.
Transformador ideal Un transformador ideal es un artefacto sin pérdidas, con una bobina de entrada y una bobina de salida. Las relaciones entre los voltajes de entrada y de salida, y entre la corriente de entrada y de salida, se establece mediante dos ecuaciones sencillas. La figura l muestra un transformador ideal.
Esquema de un transformador ideal.
En el transformador que se muestra en la figura 1 tiene NP espiras de alambre sobre su lado primario y NS de espiras de alambre en su lado secundario. La relación entre el voltaje VP(t) aplicado al lado primario del transformador y el voltaje VS(t) inducido sobre su lado secundario es VP(t) / VS(t) = NP / NS = a En donde a se define como la relación de espiras del transformador a = NP / NS
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La relación entre la corriente ip(t) que fluye en el lado primario del transformador y la corriente is(t) que fluye hacia fuera del lado secundario del transformador es NP * iP(t) = NS * iS(t) iP(t) / iS(t) = 1 / a En términos de cantidades fasoriales, estas ecuaciones son VP / VS = a IP / I S = 1 / a Nótese que el ángulo de la fase de VP es el mismo que el ángulo de VS y la fase del ángulo IP es la misma que la fase del ángulo de IS. La relación de espiras del transformador ideal afecta las magnitudes de los voltajes y corrientes, pero no sus ángulos.
Símbolos esquemáticos de un transformador ideal. Las ecuaciones anteriores describen la relación entre las magnitudes y los ángulos de los voltajes y las corrientes sobre los lados primarios y secundarios del transformador, pero dejan una pregunta sin respuesta: dado que el voltaje del circuito primario es positivo en un extremo específico de la espira, ¿cuál seria la polaridad del voltaje del circuito secundario? En los transformadores reales sería posible decir la polaridad secundaria, solo si el transformador estuviera abierto y sus bobinas examinadas. Para evitar esto, los transformadores usan la convección de puntos. Los puntos que aparecen en un extremo de cada bobina en la figura1 muestran la polaridad del voltaje y la corriente sobre el lado secundario del transformador. La relación es como sigue:
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1.- Si el voltaje primario es positivo en el extremo punteado de la bobina con respecto al extremo no punteado, entonces el voltaje secundario será también positivo en el extremo punteado. Las polaridades de voltaje son las mismas con respecto al punteado en cada lado del núcleo. 2.- Si la corriente primaria del transformador fluye hacia dentro del extremo punteado de la bobina primaria, la corriente secundaria fluirá hacía afuera del extremo punteado de la bobina secundaria.
Potencia en un transformador ideal
La potencia suministrada al transformador por el circuito primario se expresa por medio de la ecuación Pent = VP * IP * cos P En donde p es el ángulo entre el voltaje y la corriente secundaria. La potencia que el circuito secundario suministra a sus cargas se establece por la ecuación: Psal = VS * IS * cos
S
En donde s es el ángulo entre el voltaje y la corriente secundarios. Puesto que los ángulos entre el voltaje y la corriente no se afectan en un transformador ideal, p= s= . Las bobinas primaria y secundaria de un transformador ideal tienen el mismo factor de potencia. ¿Cómo se compara la potencia que va al circuito primario del transformador ideal, con la potencia que sale por el otro lado? Es posible averiguarlo por medio de las ecuaciones de voltaje y corriente. La potencia que sale de un transformador es:
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Psal = VS *IS* cos Aplicando las ecuaciones de relación de espiras nos resulta Vs = Vp / a y Is = a * Ip así que Psal = (VP/a) * a * IP * cos Psal = VP * IP * cos
= Pent
De donde, la potencia de salida de un transformador ideal es igual a su potencia de entrada. La misma relación se aplica a la potencia reactiva Q y la potencia aparente S. Qent = VP *IP *sen
= VS *IS *sen
= Qsal
Sent = VP *IP = VS *IS = Ssal Transformación de la impedancia por medio de un transformador La impedancia de un artefacto o un elemento se define como la relación fasorial entre el voltaje y la corriente que lo atraviesan: ZL = VL / ZL Una de las propiedades interesantes de un transformador es que puesto que cambia los niveles de voltaje o corriente, también cambia la relación entre el voltaje y corriente y por consiguiente, la impedancia aparente de un elemento. Para entender mejor esta idea véase la siguiente figura 2. a) Definición de impedancia. b) Escalamiento de la impedancia a través de un transformador Si la corriente secundaria se llama Is y el voltaje secundario Vs, entonces la impedancia de la carga total se expresa por ZL = VS / Z S La impedancia aparente del circuito secundario primario del transformador es ZL = VP / ZP Como el voltaje primario se puede expresar
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VP = a * VS Y la corriente primaria IP = IS / a La impedancia del primario es Z L = VP /ZP = (a * VS) / (IS /a) = a² * (VS / IS) ZL = a² * ZL Con un transformador es posible acoplar la magnitud de la impedancia de la carga con la magnitud de la impedancia de la fuente escogiendo sencillamente la relación apropiada de espiras. Análisis de los circuitos que contienen transformadores ideales Si un circuito contiene un transformador ideal, entonces la forma más fácil de calcular los voltajes y corrientes del circuito es reemplazar la porción del circuito de uno de los lados del transformador por uno equivalente con las mismas características terminales. Después que el circuito equivalente se ha sustituido por un lado, el circuito resultante (sin transformador) puede calcularse por sus voltajes y corrientes. En la porción del circuito que no se modificó, los resultados obtenidos serán los valores correctos de los voltajes y corrientes del otro lado del transformador. El proceso de reemplazar un lado de un transformador por su nivel de voltaje equivalente del otro lado se llama reflexión o referencia del primer lado al segundo lado. ¿Cómo se forma un circuito equivalente? Su forma es exactamente la misma que la del circuito original. Los valores de los voltajes en el lado que se está reemplazando se escalonan por medio de la ecuación ( VP/VS = a ) y los valores de la impedancia, por medio de la ecuación ( ZL =a² * ZL). Las polaridades de las fuentes de voltaje del circuito equivalente se invertirán en su dirección en el circuito original, si el punteado de las bobinas de un lado del transformador está al contrario del punteado de las bobinas del otro lado.
Núcleos
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Existen 2 tipos de núcleos fundamentales de estructura del transformador ellos son el tipo núcleo y el tipo acorazado, los cuales se detallan a continuación. Tipo núcleo: este tipo de núcleo se representa en la fig.1, indicando el corte A-1 la sección transversal que se designa con S (cm2). Este núcleo no es macizo, sino que está formado por un paquete de chapas superpuestas, y aisladas eléctricamente entre sí. Para colocarlas y poder ubicar el bobinado terminado alrededor del núcleo, se construyen cortadas, colocando alternadamente una sección U con una sección I. La capa siguiente superior cambia la posición I con respecto a la U.
. Vista y corte de un núcleo La aislación entre chapas se consigue con barnices especiales, con papel de seda, o simplemente oxidando las chapas con un chorro de vapor.
Núcleo tipo acorazado: este tipo de núcleo es más perfecto, pues se reduce la dispersión, se representa en la fig.2, en vistas. Obsérvese que las líneas de fuerza de la parte central, alrededor de la cual se colocan las bobinas se bifurcan abajo y arriba hacia los 2 costados, de manera que todo el contorno exterior del núcleo puede tener la mitad de la parte central. Esto vale para las 2 ramas laterales como también para las 2 cabezas. Para armar el núcleo acorazado también se lo construye en trozos, unos en forma de E y otros en forma de I, y se colocan alternados, para evitar que las juntas coincidan.
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Vista de un núcleo tipo acorazado con indicación de la longitud magnética media. El hecho que los núcleos sean hechos en dos trozos, hace que aparezcan juntas donde los filos del hierro no coinciden perfectamente, quedando una pequeña luz que llamaremos entrehierro. Obsérvese que en el tipo núcleo hay dos entrehierros en el recorrido de las fuerzas, y que el acorazado también, porque los dos laterales son atravesados por la mitad de líneas cada uno. Características de las chapas. Las chapas utilizadas para la construcción de los núcleos tipo anillo y tipo acorazado son generalmente de acero al silicio en proporciones de 2 a 4% de este último. Los espesores de estas láminas varían entre 0,3 y 0,5 mm para frecuencias de 50 ciclos. Entre chapas debe haber aislación eléctrica lo que se consigue de diferentes formas: con una capa de barniz aplicado a una de sus caras, con una hoja de papel muy delgada encalado sobre una cara de la chapa, o para un material más económico, produciendo una oxidación superficial con vapor de agua.
Figura. Laminas de acero al Silicio Según el tipo de aislación se tienen diferentes efectos sobre el costo de la chapa y sobre la reducción de la sección neta del hierro. Para chapas de 0,35 a 0,5 mm de
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espesor, puede estimarse que la reducción de sección neta con aislación de barniz o papel es de un 10%. En los transformadores pequeños se colocan las chapas una a una, alternando las juntas, para dar más solidez al conjunto y evitar piezas de unión entre partes del núcleo. En los grandes, las dos cabezas quedan separadas, y deben sujetarse con pernos roscados.
En los transformadores de gran potencia suele ser necesario formar conductos de refrigeración en la masa del núcleo, para aumentar la superficie de disipación del calor se colocan entonces separadores aislantes, de espesor conveniente para la circulación del aceite.
Devanados Hay dos formas típicas de bobinados para transformadores los cilíndricos y planos. Los núcleos, con su forma, son los que determinan la elección de uno u otro tipo, salvo que se requieran propiedades especiales, como ser baja capacidad distribuida, para uso en telecomunicaciones u otros.
Bobinado cilíndrico: este tipo se usa cuando el núcleo del transformador es del tipo núcleo. Bobinado plano: este tipo se usa cuando el núcleo del transformador es del tipo acorazado.
Los dos bobinados primario y secundario, rara vez se apartan en dos simples grupos de espiras, encimándolas; generalmente se apartan en dos partes o más
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envueltas uno encima del otro, con el embobinado de baja tensión en la parte interna. Dicha conformación sirve para los siguientes propósitos.
Simplifica el problema de aislar el embobinado de alto voltaje del núcleo. Causa mucho menos filtración de flujo, como sería el caso si los 2 embobinados estuvieran separados por alguna distancia del núcleo. Mejora la refrigeración.
Los materiales aislantes para el bobinado, o para colocar entre capas, son: papel barnizado, fibra, micanita, cinta impregnada, algodón impregnado, etc., para transformadores con bobinados al aire, y para los sumergidos en baños de aceite, se utilizan los mismos materiales sin impregnarse; debe evitarse el uso del caucho en los transformadores en baño de aceite, pues este lo ataca, y tiene efectos nocivos también sobre la micanita y aun sobre los barnices. Las piezas separadoras entre bobinados, secciones, o entre estas y el núcleo pueden ser de madera, previamente cocida en aceite, aunque actualmente se prefieren los materiales duros a base de papel o similares (pertinax, etc.). Si se usa madera, no debe interpretarse como que se dispone de aislación, sino solamente de un separador.
Bobinas de un transformador de potencia. En cuanto a los conductores para hacer bobinas, su tipo depende de la sección, pues hasta 6mm² pueden usarse alambre y más arriba de ese límite se usan cables de muchos hilos, o bien cintas planas, para facilitar el bobinaje. La aislación para los conductores pueden ser algodón, que luego se impregnará si no se
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emplea baño de aceite. Para transformadores de soldadura que trabajan con tensiones muy bajas y corrientes muy fuertes , se suelen colocar las cintas de cobre sin aislación, pues la resistencia de contacto entre ellas es suficiente para evitar drenajes de corriente. Esta situación mejora aún debido a la oxidación superficial del cobre.
Partes del transformador
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PLACA DE DATOS La placa de datos es la información para conocer las características de un Transformador, en esta se encuentran datos como:
Fabricante Temperatura Tensión primario Líquido Aislante Fases Frecuencia Secundario
Tipo
Aumento de
Tensión secundario
Derivaciones Primario
Peso Total Potencia Polaridad Número de Serie Impedancia Conexión Primario Conexión
Ejemplo de una placa de datos: Fabricante: IEM Tipo: Autoprotegido Aumento de Temperatura: 65°C sobre un ambiente máximo sw 400 C y promedio de 30 0 C en un periodo de 24 hrs.
Tensión primario: 13200 YT/7620 V
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Tensión secundario: 120/240 V Derivaciones Primario:+/-2x2.5% Líquido Aislante: Aceite mineral Potencia: 25 KVA Fases: 1 Frecuencia 60 Hz Tipo de enfriamiento OA Número de Serie: 17890 Conexión Primario: Estrella Conexión Secundario: Delta
Componentes adicionales de un transformador 1. Núcleo del circuito magnético
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2. Devanados 3. Aislamiento 4. Aislantes 5. Tanques o recipiente 6. Boquillas 7. Ganchos de sujeción 8. Válvula de carga de aceite 9. Válvula de drenaje 10. Tanque conservador 11. Tubos radiadores 12. Base para rolar 13. Placa de tierra 14. Placa de características 15. Termómetro 16. Manómetro 17. Cambiador de derivaciones 18. Indicador de nivel de aceite 19. Relé de protección (Buchholz) 20. Tubo de escape
Clasificación de los transformadores a) La forma de su núcleo. Tipo columnas Tipo acorazado Tipo envolvente Tipo radial
b) Por el número de fases Monofásico Bifásico Trifásico
c) Por el número de devanados
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Dos devanados Tres devanados Cuatro devanados
d) 1. 2. 3. 4.
Por el medio refrigerante Aire Aceite Liquido inerte Gas inerte
e) Por el tipo de enfriamiento 1. OA 2. OW 3. OW/A 4. OA/FA 5. OA/FA/FA 6. FOA 7. OA/FA/FOA 8. FOW 9. A/A 10. AA/FA f) Por la regulación Regulación Regulación variable con carga Regulación variable sin carga g) Por la operación Potencia Distribución Instrumento Horno eléctrico Ferrocarril
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Tipos de aislamiento Temperatura total= T. Ambiente + T. Sobreelevación + T. Protección por el punto más caliente + T. Margen de seguridad.
CLASE O (900 C)
400 T. Ambiente 250 Sobreelevación 150 Protección por punto más caliente 100 Margen de seguridad
Los aislamientos clase O consisten en algodón, seda, papel y materiales orgánicos similares que pueden trabajar a 90 0 C. Todos los aislamientos de esta clase no deben estar impregnados o sumergidos en líquidos dieléctricos. CLASE A (1050C)
400 T. Ambiente 400 Sobreelevación 150 Protección por punto más caliente 100 Margen de seguridad
Los aislamientos de la clase A consisten en algodón, seda papel, con impregnación o sumergidos en un líquido dieléctrico. Pueden incluirse en esta clasificación o sus combinaciones, que sean aptos para operarse a 1050C
CLASE B (1300C)
400 T. Ambiente 650 Sobreelevación 150 Protección por punto más caliente 100 Margen de seguridad
Los aislamientos de la clase B consisten de materiales o combinaciones de materiales, tales como mica, fibra de vidrio, asbesto, etc., con sustancias adherentes, adecuadas. Otro materiales o sus combinaciones no necesariamente inorgánicos, se puede incluir en esta clase B, si por experiencias o pruebas aceptadas han demostrado ser aptos de operar a 1300C.
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CLASE F (1550C)
400 T. Ambiente 900 Sobreelevación 150 Protección por punto más caliente 100 Margen de seguridad
los aislamientos de la clase F consisten de materiales como mica, fibra de vidrio, asbestos, etc., con sustancias adherentes adecuadas. Otros materiales no necesariamente inorganicos se pueden incluir en esta clase F, si por experiencia o por pruebas aceptadas han demostrado der aptos para trabajar a 1550C.
CLASE H (1300C)
400 T. Ambiente 1200 Sobreelevación 150 Protección por punto más caliente 100 Margen de seguridad
Los aislamientos clase H consisten de materiales o combinaciones de materiales como mica, silicones elastómeros, fibra de vidrio, asbestos, etc., con sustancias adherentes adecuadas como resinas de silicones. Otros materiales o combinaciones de materiales no necesariamente inorgánicos, se pueden incluir en la clase H, si por experiencia o por pruebas aceptadas han demostrado ser aptos para trabajar a 1850C.
CLASE C (2200C) o más
400 T. Ambiente 1550 Sobreelevación 150 Protección por punto más caliente 100 Margen de seguridad
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Los aislamientos clase C consisten íntegramente de mica, porcelana, vidrio, cuarzo y materiales inorgánicos similares. Un aislamiento se considera que está “impregnado” cuando una sustancia adecuada sustituye al aire entre sus fibras, aun cuando no llene completamente los espacios entre los conductores aislados. Para poder considerar satisfactoria debe tener las buenas propiedades aislantes, cubre enteramente las fibras adheridas entre sí y al conductor, sin producir intersicios dentro de ella misma, como consecuencia de la evaporación del solvente o por cualquier otra causa; no debe influir cuando la maquina opere a plena carga, ni la temperatura limite especificada y no debe deteriorarse bajo la acción prolongada del calor.
Los tipos de enfriamiento más empleados en transformadores: TIPO OA Sumergido en aceite con enfriamiento propio. Por lo general en transformadores de màs de 50 KVA se usan radiadores o tanques corrugados para disminuir las pérdidas. En capacidades mayores de 3000 KVA se usan radiadores del tipo desmontable. Este tipo de transformador con voltajes de 46 KV o menores puede tener como medio de enfriamiento líquido inerte en vez de aceite. El transformador OA es el tipo básico y sirve como norma para capacidad y precio de otros.
TIPO OA/FA. Sumergido en aceite con enfriamiento propio, por medio de aire forzado. Este transformador es básicamente un OA, con adición de ventiladores y bombas para circulación de aceite. TIPO FOA. Sumergido en aceite, enfriado con aceite forzado y con enfriador de aire forzado. Este tipo de transformadores se usa únicamente donde se desea que operen al mismo tiempo las bombas de aceite y los ventiladores; tales condiciones absorben cualquier carga pico a plena capacidad.
TIPO OW.
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Sumergido en aceite y enfriado en agua. En este tipo de transformadores el agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales están en contacto con el aceite aislante del transformador. El aceite circula alrededor de los serpentines por convección natural. TIPO AA. Tipo seco, con enfriamiento propio, no contiene aceite ni otros líquidos para enfriamiento; son usados en voltajes nominales menores de 15 KV, en pequeñas cantidades.
TIPO AFA. Tipo seco, enfriado por aire forzado. Estos transformadores tienen una capacidad simple basada en la circulación de aire forzado por ventiladores o sopladores.
Tipos y aplicaciones de transformadores
Transformador de potencia
Descripción: Se utilizan para substransmisión y transmisión de energía eléctrica en alta y media tensión. Son de aplicación en subestaciones transformadoras, centrales de generación y en grandes usuarios. Características Generales: Se construyen en potencias normalizadas desde 1.25 hasta 20 MVA, en tensiones de 13.2, 33, 66 y 132 kV. y frecuencias de 50 y 60 Hz.
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Foto 1. Transformador de potencia. Transformador de distribución
Se denomina transformadores de distribución, generalmente los transformadores de potencias iguales o inferiores a 500 kVA y de tensiones iguales o inferiores a 67 000 V, tanto monofásicos como trifásicos. Aunque la mayoría de tales unidades están proyectadas para montaje sobre postes, algunos de los tamaños de potencia superiores, por encima de las clases de 18 kV, se construyen para montaje en estaciones o en plataformas. Las aplicaciones típicas son para alimentar a granjas, residencias, edificios o almacenes públicos, talleres y centros comerciales.
Figura transformador para subestación A continuación se detallan algunos tipos de transformadores de distribución.
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Figura transformador de distribución Descripción: Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Características Generales: Se fabrican en potencias normalizadas desde 25 hasta 1000 kVA y tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV. Se construyen en otras tensiones primarias según especificaciones particulares del cliente. Se proveen en frecuencias de 5060 Hz. La variación de tensión, se realiza mediante un conmutador exterior de accionamiento sin carga Transformadores Secos Encapsulados en Resina Epoxica Descripción: Se utilizan en interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, en lugares donde los espacios reducidos y los requerimientos de seguridad en caso de incendio imposibilitan la utilización de transformadores refrigerados en aceite. Son de aplicación en grandes edificios, hospitales, industrias, minería, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica.
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Foto 2 Transformador tipo Seco. Características Generales: Su principal característica es que son refrigerados en aire con aislación clase F, utilizándose resina epoxica como medio de protección de los arrollamientos, siendo innecesario cualquier mantenimiento posterior a la instalación. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz. Transformadores Herméticos de Llenado Integral Descripción: Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, siendo muy útiles en lugares donde los espacios son reducidos. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Características Generales: Su principal característica es que al no llevar tanque de expansión de aceite no necesita mantenimiento, siendo esta construcción más compacta que la tradicional. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 1000 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.
Transformadores rurales Descripción: Están diseñados para instalación monoposte en redes de electrificación suburbanas monofásicas, bifásicas y trifásicas, de 7.6, 13.2 y 15 kV. En redes trifilares se pueden utilizar transformadores trifásicos o como alternativa 3 monofásicos.
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Figura transformador tipo poste.
Transformadores subterráneos Aplicaciones Transformador de construcción adecuada para ser instalado en cámaras, en cualquier nivel, pudiendo ser utilizado donde haya posibilidad de inmersión de cualquier naturaleza. Características Potencia: 150 a 2000KVA Alta Tensión: 15 o 24,2KV Baja Tensión: 216,5/125;220/127;380/220;400/231V
Transformadores auto protegidos Aplicaciones El transformador incorpora componentes para protección del sistema de distribución contra sobrecargas, corto-circuitos en la red secundaria y fallas internas en el transformador, para esto posee fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión, montados internamente en el tanque, fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión. Para protección contra sobretensiones el transformador está provisto de dispositivo para fijación de pararrayos externos en el tanque.
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Figura Transformador Auto protegido Características Potencia: 45 a 150KVA Alta Tensión: 15 o 24,2KV Baja Tensión: 380/220 o 220/127V
Autotransformadores
Los autotransformadores se usan normalmente para conectar dos sistemas de transmisión de tensiones diferentes, frecuentemente con un devanado terciario en triángulo. De manera parecida, los autotransformadores son adecuados como transformadores elevadores de centrales cuando sé desea alimentar dos sistemas de transporte diferentes. En este caso el devanado terciario en triángulo es un devanado de plena capacidad conectado al generador y los dos sistemas de transporte se conectan al devanado, autotransformador. El autotransformador no sólo presenta menores pérdidas que el transformador normal, sino que su menor tamaño y peso permiten el transporte de potencias superiores.
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Figura transformador variable
Transformador de corriente tt/cc Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de medida y control. Ciertos tipos de transformadores de corriente protegen a los instrumentos al ocurrir cortocircuitos.
Figura Transformador de Corriente. Los valores de los transformadores de corriente son: Carga nominal: 2.5 a 200 VA, dependiendo su función. Corriente nominal: 5 y 1A en su lado secundario. se definen como relaciones de corriente primaria a corriente secundaria. Unas relaciones típicas de un transformador de corriente podrían ser: 600/5, 800/5, 1000/5. Usualmente estos dispositivos vienen con un amperímetro adecuado con la razón de transformación de los transformadores de corriente, por ejemplo: un transformador de 600/5 está disponible con un amperímetro graduado de 0 - 600A.
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Transformador de potencial tt/pp Es un transformador devanado especialmente, con un primario de alto voltaje y un secundario de baja tensión. Tiene una potencia nominal muy baja y su único objetivo es suministrar una muestra de voltaje del sistema de potencia, para que se mida con instrumentos incorporados. Además, puesto que el objetivo principal es el muestreo de voltaje deberá ser particularmente preciso como para no distorsionar los valores verdaderos. Se pueden conseguir transformadores de potencial de varios niveles de precisión, dependiendo de qué tan precisas deban ser sus lecturas, para cada aplicación especial.
Otros transformadores
Transformadores de corriente constante Un transformador de corriente constante es un transformador que automáticamente mantiene una corriente aproximadamente constante en su circuito secundario, bajo condiciones variables de impedancia de carga, cuando su primario se alimenta de una fuente de tensión aproximadamente constante. El tipo más usual, la disposición de «bobina móvil», tiene separadas las bobinas del primario y secundario, que tienen libertad para moverse entre sí, variando por tanto la reactancia de dispersión magnética del transformador. Existen disponibles tipos para subestación que proporcionan unos modelos compactos integrales, que llevan incluidas los accesorios necesarios para el control y protección del transformador. Los accesorios normales comprenden un interruptor a solenoide primario, una protección. contra apertura del circuito, fusibles o cortacircuitos con fusibles en el primario y descargadores de sobretensiones en el primario y en el secundario. Los transformadores de corriente constante de tipo estático no tienen partes móviles y funcionan según el principio de una red resonante. Esta red normalmente consta de dos reactancias inductivas y dos capacitivas, cada una de igual reactancia para la frecuencia de alimentación. Con tal red, la corriente
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secundaria es independiente de la impedancia de la carga conectada, pero es directamente proporcional a la tensión del primario. Transformadores para hornos Los transformadores para hornos suministran potencia a hornos eléctricos de los tipos de inducción, resistencia, arco abierto y arco sumergido. Las tensiones secundarias son bajas, ocasionalmente menores de 100 V, pero generalmente de varios centenares de Volts. La gama de tamaños varía desde algunos kVA a más de 50 MVA, con corrientes en el secundario superiores a 60 000 A. Las corrientes elevadas se obtienen conectando en paralelo muchas secciones de devanado. La corriente es recogida por barras internas y llevada a través de la tapa del transformador mediante barras o mediante bornes de gran corriente. Transformadores de puesta a tierra Un transformador de puesta a tierra es un transformador ideado principalmente con la finalidad de proporcionar un punto neutro a efectos de puesta a tierra. Puede ser una unidad de dos devanados con el devanado secundario conectado en triángulo y el devanado primario conectado en estrella que proporciona el neutro a efectos de puesta a tierra o puede ser un autotransformador trifásico de un solo devanado con devanados en estrella interconectada, o sea en zig-zag. Transformadores móviles Transformadores móviles y subestaciones móviles. Los transformadores o autotransformadores móviles están montados normalmente sobre semirremolques y llevan incorporados pararrayos y seccionadores separadores. Una subestación móvil tiene, además, apartarayos, equipo de medición y de protección. La unidad se desplaza por carretera arrastrada por tractores. Los reglamentos estatales y federales sobre transporte por carretera limitan el peso y tamaño máximos. Las unidades móviles se usan para restablecer el servicio eléctrico en emergencias, para permitir el mantenimiento sin interrupción de servicio, para proporcionar servicio durante las construcciones importantes y para reducir las inversiones en el sistema. La unidad móvil está proyectada de manera que constituye una unidad compacta de aplicación múltiple que proporciona la máxima potencia en kVA, para el peso admisible. Transformadores especiales
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Los transformadores especiales de aplicación general son transformadores de distribución de tipo seco que generalmente se usan con los primarios conectados a los circuitos de distribución de baja tensión, para alimentar cargas de alumbrado y pequeñas cargas a tensiones todavía más bajas. Existen transformadores para tensiones del primario de, 120, 240, 480 y 600 V, con potencias nominales comprendidas entre 25 VA y 500 kVA, a 60 Hz. Los transformadores de control son transformadores de aislamiento de tensión constante y tipo seco. Generalmente se usan con los devanados primarios conectados a circuitos de distribución de baja tensión de 600 V o menos. La elección adecuada de un transformador de control facilitará la alimentación con la potencia correcta a tensión reducida para cargas de alumbrado y de control hasta 250 VA. Los transformadores para máquinas herramientas son similares a los transformadores de control con capacidades de hasta 1500 VA para alumbrado localizado y para dispositivos de control de máquinas tales como solenoides, contactores, relés, tanto sobre herramientas portátiles como fijas. Principalmente se usan para proporcionar salidas de 120 V a partir de relés de 240 a 480 V a 60 Hz. También existen para funcionamiento a distintas tensiones con 25 y 50 Hz. Los transformadores de clase 2 son transformadores de aislamiento de tipo seco adecuados para usar en los circuitos de clase 2 del National Electrical Code. Estos transformadores se usan generalmente en control remoto, en alimentación de pequeñas potencias y en los circuitos de señal para el accionamiento de timbres, campañas, controles de hornos, válvulas, relés, solenoides y similares. Son unidades con el primario a 120 V tanto del tipo limitador de energía como del tipo no limitador. Los transformadores para señalización son transformadores de aislamiento, reductores, de tensión constante y tipo seco, que generalmente se usan con sus devanados primarios conectados o circuitos de distribución de baja tensión para alimentar sistemas de señalización no sujetos a las limitaciones de los circuitos de clase 2. Existen para circuitos de 120 ó de 240 V. Llevan una selección de tensiones de salida de 4, 8, 12, 16, 20 ó 24 V, conectando adecuadamente los cuatro terminales de salida. Existen unidades de hasta 1000 VA. Los transformadores para tubos luminiscentes, para suministrar energía a anuncios de neón o de otros gases, se fabrican en tamaños que comprenden desde los 50 a los 1650 VA. Las gamas de tensiones en el secundario están
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comprendidas entre 2 000 y 15 000 V. La tensión depende de la longitud del tubo que forma el circuito; es decir, cuanto mayor sea la longitud del tubo, mayor tensión se necesita. La corriente suministrada por los transformadores está comprendida entre 18 y 120 mA. Los transformadores para ignición son transformadores elevadores de tipo seco, de alta reactancia, usados para el encendido de los quemadores de gas o de fueloil domésticos. Tales transformadores están limitados a las tensiones primarias de 120 ó 240 V. Las tensiones secundarias están limitadas a 15 400 V y normalmente la gama va desde los 6 000 a los 14 000 V. La gama de corrientes nominales en el secundario va desde 20 a 28 mA y la de potencias de 140 a 430 VA. Los transformadores para juguetes son transformadores reductores, del tipo secundario de baja tensión, cuya principal finalidad es suministrar corriente a juguetes accionados eléctricamente. Normalmente son portátiles y, debido a su uso previsto, se pone una especial atención en su construcción en lo relativo a seguridad y a eliminación del peligro de incendio; la entrada al devanado primario debe estar limitada por construcción a 660 W, incluso cuando el devanado del secundario esté cortocircuitado, condición que debe ser soportada sin crear peligro de incendio. Tales transformadores no están autorizados para tensiones del primario superiores a 150 V y las tensiones del secundario no pueden ser superiores a 30 V entre dos terminales de salida cualquiera. Transformadores para ensayos Los transformadores para ensayos, usados para realizar pruebas de tensiones elevadas a baja frecuencia, han sido desarrollados para tensiones superiores, para hacer posible el estudio de aplicaciones de tensiones de transporte cada vez mayores. A menudo se necesitan tensiones de 1 500 000 o más volts. Se han construido unidades para 1000 KV respecto a tierra, pero normalmente resulta más económico obtener tales tensiones conectando dos o más unidades en «cascada» o en «cadena». Los transformadores para ensayo, normalmente están proyectados para aplicaciones de corta duración. Sin embargo, para aplicaciones especiales, puede requerirse una potencia de varios miles de kVA y el tiempo de aplicación puede ser continuo.
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2.2 Motores de CD Identificar los tipos de motores de CD, sus características de funcionamiento, construcción y aplicación. Conectar los tipos de motores de CD de acuerdo a la normatividad vigente para aplicaciones específicas.
Introducción
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Los motores eléctricos de corriente continua son el tema de base que se amplia en el siguiente trabajo, definiéndose en el mismo los temas de más relevancia para el caso de los motores eléctricos de corriente continua, como lo son: su definición, los tipos que existen, su utilidad, distintas partes que los componen, clasificación por excitación, la velocidad, la caja de bornes y otros mas. Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, par y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. Pero con la llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran medida, pues los motores de corriente alterna, del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. A pesar de esto los motores de corriente continua se siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micro motores, etc.)
Motor de corriente continua Un motor eléctrico de Corriente Continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos. FUNDAMENTOS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS En magnetismo se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. De acuerdo con esto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación.
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Un motor eléctrico opera primordialmente en base a dos principios: El de inducción, descubierto por Michael Faraday en 1831; que señala, que si un conductor se mueve a través de un campo magnético o está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio que André Ampére observo en 1820, en el que establece: que si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica o f.e.m. (fuerza electromotriz), sobre el conductor. El movimiento giratorio de los motores de C.C. se basa en el empuje derivado de la repulsión y atracción entre polos magnéticos. Creando campos constantes convenientemente orientados en estator y rotor, se origina un par de fuerzas que obliga a que la armadura (también le llamamos así al rotor) gire buscando "como loca" la posición de equilibrio.
Gracias a un juego de conexiones entre unos conductores estáticos, llamados escobillas, y las bobinas que lleva el rotor, los campos magnéticos que produce la armadura cambian a medida que ésta gira, para que el par de fuerzas que la mueve se mantenga siempre vivo.
Utilización de los motores de corriente directa [C.D.] o corriente continua [C.C.] Se utilizan en casos en los que es importante el poder regular continuamente la velocidad del motor, además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías. Este tipo de motores debe de tener en el rotor y el estator el mismo número de polos y el mismo número de carbones. LOS MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA PUEDEN SER DE TRES TIPOS:
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SERIE PARALELO COMPOUND MOTOR SERIE: es un tipo de motor eléctrico de corriente continua en el cual el devanado de campo (campo magnético principal) se conecta en serie con la armadura. Este devanado está hecho con un alambre grueso porque tendrá que soportar la corriente total de la armadura. Debido a esto se produce un flujo magnético proporcional a la corriente de armadura (carga del motor). Cuando el motor tiene mucha carga, el campo de serie produce un campo magnético mucho mayor, lo cual permite un esfuerzo de torsión mucho mayor. Sin embargo, la velocidad de giro varía dependiendo del tipo de carga que se tenga (sin carga o con carga completa). Estos motores desarrollan un par de arranque muy elevado y pueden acelerar cargas pesadas rápidamente.
Conexión con excitación en serie
MOTOR SHUNT O MOTOR PARALELO: es un motor de corriente continua cuyo bobinado inductor principal está conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducidos e inductor auxiliar. Al igual que en las dinamos shunt, las bobinas principales están constituidas por muchas espiras y con hilo de poca sección, por lo que la resistencia del bobinado inductor principal es muy grande.
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Carga de una batería de acumuladores con un generador de excitación shunt
MOTOR COMPOUND: es un motor de corriente continua cuya excitación es originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducido, inductor serie e inductor auxiliar. Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt. Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura. El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de armadura varía, y es directamente proporcional a la carga. El campo serie se conecta de manera tal que su flujo se añade al flujo del campo principal shunt. Los motores compound se conectan normalmente de esta manera y se denominan como compound acumulativo. Esto provee una característica de velocidad que no es tan “dura” o plana como la del motor shunt, ni tan “suave” como la de un motor serie. Un motor compound tiene un limitado rango de debilitamiento de campo; la debilitación del campo puede resultar en exceder la máxima velocidad segura del motor sin carga. Los motores de corriente continua compound son algunas veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de par constante para un rango de velocidades amplio.
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Esquema de conexiones de un generador con excitación compound
LAS PARTES FUNDAMENTALES DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA SON: ESTATOR: Es el que crea el campo magnético fijo, al que le llamamos Excitación. En los motores pequeños se consigue con imanes permanentes. Cada vez se construyen imanes más potentes, y como consecuencia aparecen en el mercado motores de excitación permanente, mayores.
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ROTOR: También llamado armadura. Lleva las bobinas cuyo campo crea, junto al del estator, el par de fuerzas que le hace girar.
Inducido de C.C. ESCOBILLAS: Normalmente son dos tacos de grafito que hacen contacto con las bobinas del rotor. A medida que éste gira, la conexión se conmuta entre unas y otras bobinas, y debido a ello se producen chispas que generan calor. Las escobillas se fabrican normalmente de grafito, y su nombre se debe a que los primeros motores llevaban en su lugar unos paquetes hechos con alambres de cobre dispuestos de manera que al girar el rotor "barrían", como pequeñas escobas, la superficie sobre la que tenían que hacer contacto. COLECTOR: Los contactos entre escobillas y bobinas del rotor se llevan a cabo intercalando una corona de cobre partida en sectores. El colector consta a su vez de dos partes básicas: DELGAS: Son los sectores circulares, aislados entre sí, que tocan con las escobillas y a su vez están soldados a los extremos de los conductores que conforman las bobinas del rotor. MICAS: Son láminas delgadas del mismo material, intercaladas entre las delgas de manera que el conjunto forma una masa compacta y mecánicamente robusta.
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Bobinas
Delgas Eje Micas
Muelles
Escobillas
Visto el fundamento por el que se mueven los motores de C.C., es fácil intuir que la velocidad que alcanzan éstos dependen en gran medida del equilibrio entre el par motor en el rotor y el par antagonista que presenta la resistencia mecánica en el eje. EXCITACIÓN. La forma de conectar las bobinas del estator es lo que se define como tipo de excitación. Podemos distinguir entre: INDEPENDIENTE: Los devanados del estator se conectan totalmente por separado a una fuente de corriente continua, y el motor se comporta exactamente igual que el de imanes permanentes. En las aplicaciones industriales de los motores de C.C. es la configuración más extendida. SERIE: Consiste en conectar el devanado del estator en serie con el de la armadura. Se emplea cuando se precisa un gran par de arranque, y precisamente se utiliza en los automóviles. Los motores con este tipo de excitación se embalan en ausencia de carga mecánica. Los motores con esta configuración funcionan también con corriente alterna. PARALELO: Estator y rotor están conectados a la misma tensión, lo que permite un perfecto control sobre la velocidad y el par. COMPOUND: Del inglés, compuesto, significa que parte del devanado de excitación se conecta en serie, y parte en paralelo. Las corrientes de cada sección pueden ser aditivas o sustractivas respecto a la del rotor, lo que da bastante juego, pero no es este el lugar para entrar en detalles al respecto.
Velocidad del motor de corriente continúa
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Como ya hemos dicho, la configuración más popular es la de excitación independiente, y a ella se refieren las dos expresiones que vienen a continuación: 1. La velocidad es proporcional al valor de la tensión media de C.C. esto es válido siempre que se mantengan constantes, las condiciones de excitación y el par mecánico resistente. 2. El valor de la tensión media aplicada a las conexiones de la armadura del motor se distribuye fundamentalmente de la forma: U (R I ) E (1) U: Tensión media aplicada. RxI: Caída de tensión debida a la corriente que circula por el inducido. E: Fuerza contra electromotriz inducida (velocidad). Según el punto (1), la velocidad se puede variar empleando rectificadores controlados para proporcionarle en todo momento la tensión media adecuada. Para medir su velocidad podemos emplear, según el punto (2), un método alternativo a la dinamo tacométrica y que consiste en restar a la ecuación (1) la caída de tensión (RxI) en la resistencia de las bobinas de armadura, (con amplificadores operacionales) quedándonos solo con el valor correspondiente a la fuerza contraelectromotriz (E), muestra directa de la velocidad. En nuestro entorno, tendemos a pensar que allá donde encontremos motores de corriente continua es muy posible que sea debido a la necesidad de tener que poder variar la velocidad de forma sencilla y con gran flexibilidad.
Caja de bornes El bornero de un motor de C.C. suele proporcionar dos parejas de conexiones, una para la excitación, y otra para la armadura. Al tratarse de devanados para corriente continua sus bornes estarán coloreados, habitualmente de rojo y negro.
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Armadura
Excitación Las tomas de estator y rotor deben ir debidamente diferenciadas, pero aún sin señales puede distinguirse entre unas y otras porque las de la armadura son de sección sensiblemente mayor.
Conclusión Un motor eléctrico de corriente continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos, que para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales: - Rotor - Estator Dentro de éstas se ubican los demás componentes como: - Escobillas y porta escobillas - Colector - Eje - Núcleo y devanado del rotor - Imán Permanente - Armazón -Tapas o campana Los motores de corriente continua son de menos utilización que los motores de corriente alterna en el área industrial, debido que los motores de corriente alterna se alimentan con los sistemas de distribución de energías “normales”.
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2.3 Motores de CA
Identificar los tipos de motores de CA, sus características de funcionamiento, construcción y aplicación. Conectar los tipos de motores de CA de acuerdo a la normatividad vigente para aplicaciones específicas.
motores de corriente alterna las máquinas de corriente alterna (ac), son los motores que convierten energia eléctrica ac en energia mecánica. aunque los principios fundamentales de las máquinas de corriente alterna son muy simples, parecen un tanto difíciles por la construcción complicada de las maquinas reales. existen dos calses de máquinas de corriente alterna: las maquinas sincrónicas y las máquinas de inducción. Las maquinas sincrónicas son motores y generadores cuya corriente de campo magnético es suministrada por una fuente dc separada, mientras que las máquinas de inducción son motores y generadores cuya corriente de campo magnético es suministrada por inducción magnética (acción transformadora) en sus devanados de campo. los circuitos de campo de la mayoría de las maquinas sincrónicas y de inducción están localizados en sus rotores.
Motor monofásico de inducción otro motor monofásico común es la versión monofásica del motor de inducción. los motores monofásicos de inducción experimentan una grave desventaja. Puesto que solo hay una fase en el devanado del estator, el campo magnético en un motor monofásico de inducción no rota. en su lugar primero pulsa con gran intensidad, luego con menos intensidad, pero permanece siempre en la misma
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dirección. puesto que no hay campo magnético rotacional en el estator, un motor monofásico de inducción no tiene par de arranque. los motores de inducción monofásicos pueden ser clasificados de mejor a peor, en términos de sus características de arranque y de operación. 1. motor de capacitor de arranque-capacitor de marcha 2. motor de arranque por capacitor 3. motor con capacitor dividido permanente 4. motor de fase partida 5. motor de polo sombreado el mejor motor es también el más costoso y el peor motor es el menos costoso. así mismo, no todas las técnicas de arranque están disponibles en todos los rangos de tamaños del motor. queda a discreción del ingeniero diseñador seleccionar el motor disponible más económico para una aplicación dada. arranque de motores de inducción monofásicos un motor de inducción monofasico no tiene par de arranque intrínseco. existen 3 técnicas para arrancar estos motores monofásicos de inducción, que se clasifican de acuerdo con los métodos utilizados para producir su par de arranque. estas técnicas de arranque difieren en el costo y en la cantidad de par producid; un ingeniero utiliza la técnica menos costosa que cumpla los requerimientos de par en una aplicación dada. las 3 principales técnicas son: 1. devanados de fase partida 2. devanados con capacitor 3. polos estatoricos sombreados estas 3 técnicas de arranque son métodos para lograr que uno de los dos campos magnéticos giratorios sea más fuerte que el otro en el motor y, en consecuencia, dar a este un apoyo inicial en una u otra dirección. control de velocidad en motores de inducción monofásicos la velocidad de los motores de inducción monofásicos se puede controlar de la misma manera que en los motores de inducción polifásicos. para motores de rotor de jaula de ardilla, están disponibles las siguientes técnicas:
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1. variación de la frecuencia estatorica. 2. cambio del número de polos 3. cambio del voltaje aplicado a las terminales vt.
Motor de fase partida Un motor de fase partida es un motor de inducción monofásico de dos devanados estatoricos, uno principal y otro auxiliar. estos dos devanados estan separados 90 eléctricos sobre el estator del motor; el devanado auxiliar está diseñado para ser desconectado del circuito, a cierta velocidad dada, mediante un interruptor centrifugo.
Motores con arranque por capacitor. en algunas aplicaciones, el par de arranque es insuficiente para arrancar una carga sobre el eje del motor. en esos casos se pueden utilizar motores con arranque por capacitor. en un motor con arranque por capacitor, se dispone de un capacitor en serie con el devanado auxiliar del motor.
motores de capacitor permanente dividido y motores de capacitor de arranque-capacitor de marcha. el capacitor de arranque mejora tanto la característica par-velocidad de un motor de inducción que algunas veces se incorpora un pequeño capacitor en el devanado auxiliar del motor. si se escoge adecuadamente el valor del capacitor, tal motor tendrá un campo magnético rotacional uniforme para alguna carga específica y se comportara como un motor trifásico de inducción en ese punto. tal diseño se llama motor de capacitor dividido permanente o motor de capacitor de arranque y de marcha. los motores de capacitor dividido permanente son más sencillos que los motores de arranque por capacitor puesto que no requieren interruptor de arranque. para cargas normales son más eficientes y tienen un factor de potencia más alto y par más suave que los motores de inducción monofásicos corrientes.
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Motores de polos sombreados un motor de inducción de polos sombreados es aquel que solo tiene el devanado principal. en lugar de tener devanado auxiliar, tiene polos salientes, y una parte de cada polo esta en vuelta por una bobina cortocircuitada llamad bobina de sombreo.
Motor jaula de ardilla en todo motor eléctrico podemos distinguir dos partes: rotor y estator. el rotor está fijado a un eje ( ver figura 1.1), e introducido dentro del estator mediante rodamientos, de forma que puede girar libremente.
Figura 1.1: constitución del motor de jaula de ardilla
El rotor se construye con barras cortocircuitadas eléctricamente por medio de anillos en los extremos formando la denominada jaula de ardilla (ver figura 1.2). Cuando el motor se conecta a una fuente de suministro trifásica, el estator induce unas corrientes en las barras del rotor. La interacción del campo magnético generado entre el rotor y el estator origina el par y por tanto la rotación del rotor.
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al final del eje del rotor se fija un ventilador, encargado de refrigerar el interior del motor cuando este está girando.
fig. 1.2: constitución del rotor el estator se construye con acero perforado y montado como un cilindro hueco, la parte interior es un armazón de hierro fundido o aluminio (ver figura 1.3). unas bobinas distribuidas en tres fases se distribuyen en las ranuras del interior de la circunferencia. cada una de las tres bobinas del estator tienen dos mitades, colocadas en posiciones diagonalmente opuestas respecto al estator. las bobinas estén desfasadas 120º entre sí, (estas bobinas están representadas en la figura 1.4). el sentido de arrollamiento de las bobinas es tal que, cuando la corriente pasa a través de ellas, se induce un campo magnético a través del rotor. en este caso, cada bobina tiene dos polos, con lo que el motor será bipolar.
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figura 1.3: estator de dos polos
Figura 1.4: cableado de un estator de dos polos las bobinas en un estator de dos polos se muestran en la figura 1.4. cuando tres bobinas se conectan a una alimentación trifásica ya sea en configuración estrella o triángulo, crean un campo magnético que produce la rotación. la velocidad de rotación del campo está directamente relacionada con la frecuencia de la alimentación. Así, una alimentación de 50hz crea un campo de rotación de 50 rev. /segundo, es decir, 3000 r.p.m ( figura 1.5.)
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en el estator dibujado en la figura 1.6, cada bobina tiene cuatro secciones, desfasadas 90º entre sí. cuando la corriente pasa por cada una de las bobinas, en el estator se crean dos campos magnéticos, con lo que cada bobina tiene cuatro polos y el motor se denomina tetrapolar. si observamos la figura 1.6, cuando las bobinas se conectan a una fuente de alimentación trifásica, el campo magnético gira a la mitad de la frecuencia de suministro. por lo tanto para un suministro de 50hz la velocidad de rotación del campo será de 25 rev./segundo o lo que es lo mismo 1500 r.p.m.
de la misma forma, el campo en un estator de 6 polos gira a un tercio de la frecuencia de alimentación , ( 1000 r.p.m. a 50hz ) y para un estator de 8 polos el campo gira a un cuarto de la frecuencia de alimentación ( 750 r.p.m. a 50hz ).
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Figura 1.5: generación del campo magnético rotatorio en un motor de dos polos
Fig 1.6: generación del campo magnético en un estátor tetrapolar
cuando aplicamos tensión en bornes del motor, el campo magnético rotativo generado por las bobinas del estator corta el rotor, generando corrientes inducidas en sus barras (figura 1.7a).
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la frecuencia de la corriente del rotor es proporcional a la diferencia entre la velocidad del rotor y el campo magnético generado por el estator, y se denomina frecuencia de deslizamiento. la corriente del rotor induce un campo magnético en el rotor que gira a la misma velocidad que el campo del estator, siendo la interacción entre ambos campos la que produce un par de giro en el rotor (figura 1.7b)
Figura 1.7: corrientes inducidas en el rotor
cuando se incrementa la velocidad del motor, la diferencia entre la velocidad del campo en el estator y las barras del rotor es menor, lo que reduce el campo rotórico, y en consecuencia el par disminuye. cuando se alcanza la velocidad del campo del estator no hay campo inducido en el rotor y el par generado es cero. estamos en la llamada velocidad de sincronismo del motor. en la figura 1.8
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aparecen las diferentes velocidades de sincronismo de acuerdo con el número de polos del estator para una frecuencia de suministro de 50hz.
Figura 1.8: velocidad de sincronismo según el número de polos
cuando aumenta el par de la carga , la velocidad del rotor decrece con lo que aumenta el deslizamiento. esto provoca que el flujo del estátor corte las barras del rotor a mayor velocidad, con lo que se incrementa la corriente en el rotor y el par. sin embargo, con el incremento de la corriente del motor se produce una caída de tensión suplementaria en la bobinas del estator , la cual provocará un debilitamiento del campo en el estator.
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en la figura 1.9 se muestra una curva típica de par /velocidad cuando el motor es excitado con una fuente de alimentación trifásica.
figura 1.9: curva par-velocidad de un motor de inducción
figura 1.10: curva corriente de línea-velocidad
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con deslizamientos altos, la velocidad del campo magnético que corta el rotor aumenta, así como la corriente que circula por él. esto se ve reflejado en un aumento en la corriente del estator. como en el instante inicial el rotor está inmóvil y alimentado con una frecuencia de suministro de 50hz , la corriente en el estator puede alcanzar entre 6 y 10 veces la corriente nominal a plena carga. en la figura 1.10 se muestra la curva típica de corriente y velocidad en un motor de inducción de jaula de ardilla.
incluso cuando el motor está sin carga y girando cerca de la velocidad de sincronismo, absorbe una significativa cantidad de corriente de naturaleza reactiva, destinada a la magnetización de la máquina. estas componentes de magnetización crean el flujo en el motor. esta es la razón por la que un motor siempre funciona con un factor de potencia por debajo de la unidad , típicamente 0.86 a plena carga.
Motor de rotor bobinado En este tipo de motores, en el rotor se introduce un bobinado trifásico (ver figura 1.11). el bobinado del rotor se puede conectar al exterior por medio de escobillas y anillos rozantes. este tipo de motores pueden tener resistencias exteriores colocadas en el circuito del rotor, lo que permite reducir la corriente absorbida, reduciendo la saturación en el hierro y permitiendo un incremento en el par de arranque. conforme la velocidad del rotor aumenta el valor de las resistencias se reduce hasta llegar a cero, lo que permite mantener un par alto. la figura 1.12 muestra la curva característica de par y velocidad cuando varían las resistencias del rotor.
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figura 1.11: motor de rotor bobinado
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figura 1.12: evolución de la curva par-velocidad variando la resistencia rotórica
Motor de rotor de doble jaula En este tipo de motor el rotor tiene dos secciones, la exterior está diseñada con un material de resistencia más elevada que la interior. cuando el motor está funcionando a baja velocidad (mientras arranca), la frecuencia de deslizamiento es alta y la corriente del rotor tiende a circular por la cara exterior (debido al efecto piel ), con lo que la resistencia efectiva es mayor y en consecuencia aumenta el par de arranque. Cuando la velocidad del rotor aumenta, la frecuencia de deslizamiento decrece, y la corriente del rotor circula por la zona de baja resistencia del rotor, de forma que las pérdidas energéticas son menores. en principio un motor de jaula de ardilla es un motor de velocidad fija, pero que puede ser controlada actuando sobre el número de polos, y la frecuencia de suministro a la que está conectado. la ecuación de la velocidad de un motor es:
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dónde: n = velocidad del motor en revoluciones por minuto f = frecuencia de suministro al motor el Hz p = número de polos en el estator s = deslizamiento del motor en revoluciones por minuto
de esta ecuación, puede verse que la velocidad puede ser variada de tres formas diferentes:
a) cambiando el número de polos. esto requiere un motor con doble bobinado, y además la velocidad no varía de forma continua sino que se produce un salto de una velocidad a otra. por ejemplo, un motor de 2/8 polos conectado a 50hz tiene dos velocidades de sincronismo: 3000 y 750 rpm.
b) cambiando el deslizamiento. Esto puede hacerse variando la tensión suministrada al motor, lo que provoca que la curva de par velocidad disminuya causando un mayor deslizamiento conforme aumenta la carga en el motor. en general, la reducción de par es proporcional al cuadrado de la reducción de voltaje. Ver figura 1.13. para trabajar correctamente, este método requiere una carga con una característica creciente de par y velocidad. Cualquier variación en la carga causara una variación en la velocidad del motor.
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Figura 1.13: variación de velocidad actuando sobre el deslizamiento
c) variando la frecuencia de suministro del motor. este método es el utilizado por los controladores de velocidad electrónicos. la figura 2.1 muestra la familia de curvas par-velocidad cuando se modifica la frecuencia de alimentación. este es el mejor método para el control de la velocidad , por las siguientes razones: se obtiene un rendimiento elevado en todo el rango de velocidades. se dispone de una variación continua (sin saltos) de la velocidad, que puede ser controlada eléctricamente vía señales de control tales como 0-10vdc o 420ma. Esto hace que los variadores de velocidad para motores de ca sean ideales para los procesos de automatización.
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el par disponible en el motor es constante, incluso a bajas velocidades. esto nos da la posibilidad de trabajar con cualquier tipo de carga. se puede trabajar con frecuencias superiores a 50hz. Bibliografía http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua http://www.infowarehouse.com.ve/pugoz/ingelect/ingelec_motorcc.pdf http://perso.wanadoo.es/luis_ju/ebasica2/mcc_01.html http://www.unicrom.com/Tut_MotorCC.asp http://html.rincondelvago.com/motor-de-corriente-directa.html http://www.monografias.com/trabajos74/motores-corriente-directa/motorescorriente-directa.shtml http://www.todorobot.com.ar/documentos/dc-motor.pdf
UNIDAD III.
Dispositivos de control, fuerza y protección
Objetivo. El alumno desarrollará un sistema de control, fuerza y protección para la operación de un motor eléctrico bajo las normas de seguridad vigentes. Resultado de aprendizaje:
Elaborará, a partir de un caso dado, un reporte técnico que incluya:
Diagramas de conexión
Arranque y paro
Control de velocidad
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Inversión de giro
Protección para un motor eléctrico 3.1 Dispositivos de control y protección 3.2 Diagrama de control y fuerza
Definir los dispositivos de control y protección así como su funcionamiento, características y aplicaciones. Enlistar los símbolos eléctricos de control, fuerza y protección. Interpretar la secuencia lógica de un diagrama de control, fuerza y protección.
Principios generales sobre control de motores eléctricos Existen algunas condiciones que deben considerarse al seleccionar, diseñar, instalar o dar mantenimiento al equipo de control del motor eléctrico. El control del motor era un problema sencillo cuando se usaba una flecha maestra común, a la que se le conectaban varias máquinas, porque el motor tenía que arrancar y parar sólo unas cuantas veces al día. Sin embargo, con la transmisión individual el motor ha llegado a ser casi una parte integrante de la máquina y es necesario diseñar el controlador para ajustarse a sus necesidades. Control del motor es un término genérico que significa muchas cosas, desde un simple interruptor de paso hasta un complejo sistema con componentes tales como relevadores, controles de tiempo e interruptores. Sin embargo, la función común es la misma en cualquier caso: esto es, controlar alguna operación del motor eléctrico. Por lo tanto, al seleccionar e instalar equipo de control para un motor se debe considerar una gran cantidad de diversos factores a fin de que pueda funcionar correctamente junto a la máquina para la que se diseña.
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Propósito del controlador
Algunos de los factores a considerarse respecto al controlador, al seleccionarlo e instalarlo, pueden enumerarse como sigue: 1) Arranque: El motor se puede arrancar conectándolo directamente a través de la línea. Sin embargo, la máquina impulsada se puede dañar si se arranca con ese esfuerzo giratorio repentino. El arranque debe hacerse lenta y gradualmente, no sólo para proteger la máquina, sino porque la oleada de corriente de la línea durante el arranque puede ser demasiado grande. La frecuencia del arranque de los motores también comprende el empleo del controlador. 2) Paro: Los controladores permiten el funcionamiento hasta la detención de los motores y también imprimen una acción de freno cuando se debe detener la máquina rápidamente. La parada rápida es una función para casos de emergencia. 3) Inversión de la rotación: Se necesitan controladores para cambiar automáticamente la dirección de la rotación de 1as máquinas mediante el mando de un operador en una estación de control. La acción de inversión de los controladores es un proceso continuo en muchas aplicaciones industriales. Esta puede hacerse por medio de estaciones de botones, un interruptor de tambor o un módulo inversor de giro. 4) Marcha: Las velocidades y características de operación deseadas, son, función y propósito directos de los controladores. Éstos protegen a los motores, operadores, máquinas y materiales, mientras funcionan. 5) Control de velocidad: Algunos controladores pueden mantener velocidades muy precisas para propósitos de procesos industriales, pero se necesitan de otro tipo para cambiar las velocidades de los motores por pasos o gradualmente. 6) Seguridad del operador: Muchas salvaguardas mecánicas han dado origen a métodos eléctricos. Los dispositivos piloto de control eléctrico afectan directamente a los controladores al proteger a los operadores de la máquina contra condiciones inseguras. 7) Protección contra daños: Una parte de la función de una máquina automática es la de protegerse a sí misma contra daños, así corno a los materiales manufacturados o elaborados. Por ejemplo, se impiden los
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atascamientos de los transportadores. Las máquinas se pueden hacer funcionar en reversa, detenerse, trabajar a velocidad lenta o lo que sea necesario para realizar la labor de protección. 8) Mantenimiento de los dispositivos de arranque: Una vez instalados y ajustados adecuada mente, los arrancadores para motor mantendrán el tiempo de arranque, voltajes, corriente y troqué confiables, en beneficio de la máquina impulsada y el sistema de energía. Los fusibles, cortacircuitos e interruptores de desconexión de tamaño apropiado para el arranque, constituyen buenas prácticas de instalación que se rigen por los códigos eléctricos. Diferencia entre un control automático y uno manual Cuando un circuito se considera manual es debido a que una persona debe iniciar la acción para que el circuito opere, usando más comúnmente las estaciones de botones, en cambio uno automático está diseñado para que el circuito arranque solo y que la persona tenga la comodidad de que éste funcionará sin que él tenga que hacer nada, los dispositivos de control automático pueden ser los interruptores de flotador, de presión o termostatos y su capacidad de contacto debe ser suficiente para conducir e interrumpir la corriente total del motor.
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Simbología
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Diagramas de Control
Este diagrama se llama unifilar por que representa solo una fase de corriente.
Este diagrama se por que representa corriente.
llama bifilar dos fases de
Este diagrama se llama trifilar por que representa 3 fases de corriente.
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Función de un enclavamiento El enclavamiento sirve para mantener la conexión después de presionar nuestro botón de arranque y al presionar nuestro botón de paro se para el motor y se bota el enclavamiento y el botón de arranque. Partes de un circuito de control. Los elementos básicos o más comunes en un circuito de control son señalados a continuación. Circuito de fuerza. 1) Motor trifásico Marca: Nema Tipo: Mm. 90-4 Serie: Nr-3- 0116 HP. 0.75 R.P.M. 1736 Volts: 220 V Amperes: 1.5/3.0 A Ciclos: 60Hz Temperatura: 40º C
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Peso total: 7.80Kg. Motor Trifásico: Es aquel que requiere de 3 fases para funcionar y con un voltaje mayor o igual de 220V. La característica de este motor es que al invertir las salidas; es decir, las fases cambia de sentido de rotación del rotor y a diferencia de los motores de corriente alterna consume menos corriente. Posee un rotor jaula de ardilla que tiene barras en corto que giran magnéticamente entorno a su estator.
Protección. 1) Arrancadores magnéticos: Clase 8501 Tipo P122 I Th2 12A 660VCA
Estos arrancadores limitan la corriente en la etapa de arranque evitando alcanzar corrientes que puedan causar fluctuaciones perjudiciales en la línea de alimentación. Estos arrancadores cuentan con protecciones de sobrecarga y corto
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circuito en las 3 fases y ofrecen compensación de temperatura ambiente y además cuentan con botonería para arranque y paro, montados en su gabinete.
Protección térmica Estación de botones Contactor
El contactor está diseñado para soportar la carga de los motores; es decir, va conectado directamente a la línea, en cambio los relevadores tienen contactos más débiles y no van conectados a las líneas directamente. Los contactores soportan aún más corriente que los relevadores (hasta 7A). Estos a la vez varían de tamaño dependiendo de la carga a alimentar.
2) Relevador de control: 220- 380- 500 VCA 4- 6- 8A Es una bobina que enclava contactos normalmente abiertos dejando pasar la corriente y abre contactos normalmente cerrados impidiendo el paso de la corriente.
Controles automáticos: 1) Relevador de tiempo: 220- 380- 450 VCA
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3- 6- 8A 160Min Existen dos tipos de relevadores de tiempo los cuales son los siguientes: *Relevador de control de tiempo ON DELAY: Este tipo de relevador se usa principalmente en circuitos donde se requiere que la respuesta, una vez que se ha energizado el circuito, el relevador se retarde en enviar la señal del tiempo requerido en el proceso. *Relevador de control de tiempo OFF DELAY: Este tipo de relevador de control de tiempo, su principal característica, es que retarda la respuesta a los circuitos secundarios una vez que se ha desenergizado el circuito de control. Consta de un capacitor que es el que almacena dicha energía.
2) Smith interruptor de nivel o de flotador:
220- 380- 500 VCA 2- 6- 8A La operación de un interruptor de flotador se controla por el movimiento hacia arriba o hacia abajo, del flotador que se coloca en el tanque de agua. El flotador abre o cierra mecánicamente los contactos eléctricos mediante una varilla o cadena con un contrapeso. Existen varios tipos de interruptores de flotador, el capsulado, flotador con contrapeso y electronivel:
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a) Interruptor de flotador:
b) Interruptor encapsulado: Consta de una esfera metálica que entra en contacto cuando la presión decae.
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c) Electronivel: Es un control electrónico que censa el nivel cuando está lleno, a la mitad y vacío protegiendo al motor para que la bomba no trabaje en vacío.
3) Switch o interruptor de presión: 220- 380- 550 VCA
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3- 6- 8 A Los interruptores de presión del tipo industrial están diseñados para cubrir la amplia variedad de requerimientos que se encuentran en el control de máquinas neumáticas o hidráulicas. Estos controles se emplean más comúnmente máquinas – herramientas, sistemas de lubricación de alta presión, bombas y compresores por motor.
Controles Manuales. 1) Interruptor de tambor: Atrás Clase 2601 Tipo AG-2 Fases Volts C.P.
Fuera
Adelante
Capacidad máxima Monofásico Polifásico 115 230 110 220-550 1 1/2 2 1 1/2 2
CD. 115-230 1/4
Al presionar Atrás en el interruptor de tambor (de color azul en el diagrama), la terminal 1 del motor trifásico se conectará con línea 1, terminal 2 con línea 2 y terminal 3 con línea 3, al momento de querer invertir el giro del rotor de este, el interruptor de tambor debe de estar en Fuera (color negro en el diagrama), y esperarse un
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momento dar para Adelante, ya que si no se hace esto se forjará demasiado el rotor y puede ser que se dañe; entonces al dar para adelante se invertirán las fases lo que hará que el rotor gire en otro sentido (color rojo en el diagrama), se conectará la terminal 1 del motor con línea 2, terminal 2 con línea 1 y terminal 3 con línea 3.
2) Estación de botones: 220- 380- 500 VCA 4- 6- 8 A El propósito principal de la estación de botones es: *Arranque: El motor se puede arrancar conectándolo directamente a través de la línea; sin embargo, la máquina impulsada se puede dañar si se arranca con este esfuerzo giratorio repentino. * Paro: Los controles permiten el funcionamiento hasta la detención de los motores y también imprime una acción de freno cuando la maquinaría se debe de parar rápidamente. La parada rápida es una acción vital del control para casos de emergencia. *Inversión de la rotación: Se necesitan controles para cambiar manualmente la dirección de la rotación de las máquinas mediante el mando de un operador en
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una estación de control, la inversión de la rotación en muchos procesos es continuo en varias aplicaciones industriales.
Indicadores 1) Luces piloto: 110-220 VCA 50/60Hz 1.5W
La función principal de las luces es señalizar que está sucediendo algo: *Verde: Indica que el motor está en funcionamiento o buen estado. Relajación. *Roja: Indica que el motor se ha detenido o en mal estado. Alarma. *Ámbar: Indica precaución o que algo está por suceder. 2) Ohmetro digital: Es un instrumento que sirve para medir la resistencia eléctrica (R). Su unidad de medida es el Ohmio (Ω) Hay 2 tipos de óhmetros, el primero, que es el que viene integrado con el multímetro y el segundo el analógico. Estos tipos de dispositivos no deben trabajar con ningún voltaje y/o amperaje sino podrían llegar a dañarse, ¡Si no se conoce dicha escala, este no se llega a dañar en caso de no ser la correcta; sin embargo, no marcaría el valor, entonces se tendría que seleccionar bien la escala para que nos diera el valor con exactitud! Para medir resistencias altas se utilizan los múltiplos y para medir resistencias pequeñas se usan los submúltiplos.
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Megaohms (M Ω) = 1 000 000Ω Kilohms (K Ω) = 1000 Ω Hectohms (Ω) = 100 Ω. Este instrumento puede usarse para verificar que las terminales tengan continuidad. 3) Chicharra: Generalmente la chicharra al igual que la luz roja indica prevención o alarma; así también como que el motor está parado.
Terminales:
Son las de la se deben con el en la Ohms (Ω) para saber si no se encuentran trozadas de un punto.
Practica 4 1. Inversión de giro por medio de estaciones de botones Material:
2 Estaciones de botones 2 Arrancadores magnéticos
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conductoras corriente y de verificar multímetro escala de
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1 Motor trifásico 35 terminales 1 multímetro
Diagrama: a) Control
b) Fuerza
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Funcionamiento:
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Al presionar BA1 fluye la corriente por él BP1 y el contacto comúnmente cerrado de M 2 y hace energizar a la bobina de M 1 y a la luz verde, entonces se cierra el
enclavamiento de M 1 , (Mientras el contacto comúnmente cerrado de M 1 permanece abierto), mientras en el circuito de fuerza cierran los contactos de M 1 y hace girar al motor en el sentido de las manecillas del reloj. Aunque se suelte el BA1 la bobina de M 1 y la luz verde quedarán energizadas por dicho enclavamiento. Y aunque se presione BA2 nunca se energizará la bobina de M 2 porque el contacto normalmente cerrado de M 1 estará abierto.
Al presionar BP1 se desenergizará M 1 y la luz verde y el contacto normalmente abierto se abrirá y el normalmente cerrado se cerrará y el motor dejará de funcionar.
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Al presionar BA2 fluye la corriente por él BP2 y el contacto comúnmente cerrado de M 1 y hace energizar a la bobina de M 2 y a la luz roja, entonces se cierra el enclavamiento de M 2 , (Mientras el contacto comúnmente cerrado de M 2 permanece abierto), mientras en el circuito de fuerza cierran los contactos de M 2 y hace girar al motor en el sentido contrario de las manecillas del reloj (Ya que de la línea 3 se puentea a la 1 del segundo arrancador y de la línea 1 a la 3, invirtiendo las fases de alimentación párale motor trifásico). Aunque se suelte el BA2 la bobina de M 2 y la luz roja quedarán energizadas por dicho enclavamiento. Y aunque se presione BA1 nunca se energizará la bobina de M 1 porque el contacto normalmente cerrado de M 2 estará abierto.
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Al presionar BP2 se desenergizará M 2 y el contacto normalmente abierto reabrirá y el normalmente cerrado se cerrara y el motor dejará de funcionar.
Practica 5 2. Inversión de giro por medio de un módulo inversor de giro. Material: 2 estaciones de botones 1 módulo inversor de giro 1 luces piloto 35 terminales 1 multímetro
Diagrama:
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Funcionamiento: Al presionar BAR , pasa la corriente a la bobina de R , la cual manda a cerrar su contacto normalmente abierto que es el enclavamiento y hace funcionar la luz roja y la chicharra que se encuentran conectados en paralelo con relación a la bobina de R , indicando que el motor está girando en sentido de las manecillas del reloj.
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Ya que en el circuito de fuerza se cerraron los contactos normalmente abiertos de R
Una desventaja de este circuito sería que cuando no tengo una protección eléctrica y presiono BAF , no cierra el enclavamiento de F y por lo tanto no se energiza la bobina de F por la protección mecánica de los arrancadores, entonces solamente prende la luz verde cuando dejo presionado el BAF , y obviamente hay inversión de giro en el circuito de fuerza. Ya que nunca se cierran los contactos normalmente abiertos de F
O la inversa podría presionarse primero BAF energizarse bobina de F que manda señal de enclavamiento al comúnmente abierto de F y encender la luz verde, indicando que el motor está girando en sentido contrario a las manecillas del reloj, entonces ahora no ocurriría el enclavamiento ni se energizaría la bobina de R presionado BAR ; sino nada más se energizaría la luz roja y la chicharra pero sin
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inversión de la rotación Ya que la protección mecánica impide que estén las 2 bobinas energizadas al mismo tiempo. En ambos casos el sistema se desenergiza presionado cualquier botón de paro.
El mismo circuito con protecciones eléctricas:
Función de las protecciones eléctricas: Al presionar BAF pasa la corriente a la bobina de F la cual ya energizada manda señal de enclavamiento a su contacto normalmente abierto, enciende la luz verde indicando que el motor esta girando en posición opuesta a las manecillas del reloj y se activa la protección eléctrica energizándose la bobina A del relevador de control la cual manda a abrir su contacto comúnmente cerrado de A , este es el
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que va conectado en serie con el botón de arranque de R , por eso al querer presionarlo ya no prende la luz roja, la chicharra o la bobina de R , ya que la línea se encuentra desconectada.
O a la inversa, podría presionarse el BAR , y que la corriente pase hacia la bobina R la cual ya energizada mande señal de enclavamiento a su contacto normalmente abierto, encienda la luz roja y la chicharra indicando que el motor está girando en sentido de las manecillas del reloj y se active la otra protección eléctrica energizándose la bobina B del relevador de control la cual manda a abrir su contacto normalmente cerrado de B que es el que va conectado en serie con el botón de arranque de F , por eso al querer presionarlo ya no prende la luz verde o la bobina de F por qué la línea se encuentra desconectada. En ambos casos el sistema se desenergiza presionado cualquier botón de paro.
Practica 3, 4, 5 y 6
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3. Control automático, fuera y manual de un motor trifásico Material: 1 Switch de límite 1 Switch de nivel 1 Interruptor de tambor 1 Arrancador magnético 2 Estaciones de botones 1 Luces piloto 35 Terminales 1 Multímetro 1 Motor trifásico Diagrama:
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Funcionamiento: Al energizar el circuito, se encontrará en la posición fuera, entonces la corriente pasará por el contacto normalmente cerrado de M y se energizará la luz roja. Indicando que el motor esta fuera de servicio.
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Al seleccionar automático Cuando se energice el circuito deberá encender el motor y la luz verde indicando que el motor se encuentra energizado, si el switch de nivel y el switch de límite se encuentran cerrados ambos dejarán pasar la corriente eléctrica. El motor dejará de funcionar si existe nivel (ya que el switch se encontrará abierto) o si el switch de límite se encuentra abierto. Si alguno de los 2 switchs se abre se impedirá el paso de corriente; en cambio sí se encontraran conectados en paralelo no importaba si uno estuviera abierto, mientras uno se encontrará cerrado fuera suficiente para que la corriente pasara por ahí. Mientras al energizarse la bobina M manda a abrir su contacto normalmente abierto de M y apaga a la luz roja. Entonces en el circuito de fuerza se cierran sus contactos normalmente abiertos y energiza el motor.
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Al seleccionar manual Al energizar el circuito y presionar cualquier botón de arranque ya sea BAR o BAL se energiza a la bobina M y prende la luz verde indicando que el motor está funcionando, entonces la bobina M manda a cerrar su contacto normalmente abierto de M y se enclava el circuito y abre el contacto normalmente cerrado de M apagando a la luz roja. Mientras en el circuito de fuerza se cierran los contactos normalmente abiertos de M y se energiza el motor.
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En ambos casos; ya sea manual o automático, presionando BPL se desenergiza la bobina M la cual manda a abrir su contacto normalmente abierto (se desenclava) y a cerrar el contacto normalmente cerrado de M prendiendo nuevamente a la luz roja indicando que el motor se encuentra fuera de servicio.
4. Encendido con tiempo de 2 motores por medio de relevadores de tiempo. Material: 1 Relevador de control 2 Estaciones de botones 1 Luces piloto 2 Arrancadores magnéticos 1 Chicharra 2 Relevadores de tiempo (10 y 20 segundos) 35 Terminales 1 Multímetro 2 Motores trifásicos
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Diagrama:
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Funcionamiento: Al energizar el circuito la chicharra encenderá, RT1 comenzará a contar 10 segundos y después de esos 10 segundos RT1 mandará a cerrar su contacto normalmente abierto de RT1 pero no funcionará el motor 1 mientras no se presione ninguno de los 2 botones de arranque (Ya sea local o remoto)
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Al presionar cualquier botón de arranque (Ya sea local o remoto), la bobina A se energizará, su contacto normalmente cerrado se abrirá y la chicharra dejará de funcionar, el contacto normalmente abierto se cerrará y enclavará el circuito y encenderá el motor 1 y la luz verde indicando que este se encuentra en servicio, se energizará también RT2 Y comenzará a contar 20 segundos, después de 20 segundos RT2 mandará a cerrar su contacto normalmente abierto de RT2 energizado el motor 2 y su luz roja indicando que esté último se encuentra en servicio.
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Al presionar cualquier botón de paro (ya sea local o remoto) se desenergizarán todas las bobinas regresando sus contactos a su posición normal apagándose las luces, los motores y prendiendo nuevamente la chicharra. Aquí la excepción es la bobina de RT1 que seguirá energizada y su contacto normalmente abierto se mantendrá cerrado. Y no ocurrirá nada hasta que se desenergize todo el sistema o se presione cualquier botón de arranque
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5. Encendido con tiempo de 2 motores por medio de relevadores de tiempo. Material. 1 Relevador de control 2 Estaciones de botones 1 Luces piloto 2 Arrancadores magnéticos 1 Chicharra 2 Relevadores de tiempo (10 y 20 segundos) 35 Terminales 1 Multímetro 2 Motores trifásicos
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Diagrama:
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Funcionamiento: Al energizar el circuito la corriente pasará por el contacto normalmente cerrado de A y encenderá a la chicharra indicando que ambos motores se encuentran fuera de servicio.
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Al presionar cualquier botón de arranque (ya sea local o remoto) se energizará la bobina de A la cual mandará a abrir su contacto normalmente cerrado y apagará la chicharra, cerrará su contacto normalmente abierto y enclavará el circuito energizando RT1 y RT2 , entonces RT1 cuenta 10 segundos para cerrar su contacto normalmente abierto y energizar el motor 1 y una luz verde para indicar que se encuentra en funcionamiento. Al igual que RT1 , RT2 cuenta 20 segundos para cerrar su contacto normalmente abierto de RT2 y energizar el motor 2 y una luz roja para indicar que este se encuentra en funcionamiento.
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Al presionar cualquier botón de paro (ya sea local o remoto) se desenergizarán todas las bobinas regresando sus contactos a su posición normal apagándose las luces, los motores y prendiendo nuevamente la chicharra.
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6. Encendido con automático, fuera y manual con tiempo de 2 motores por medio de relevadores de tiempo. Material: 1 Interruptor de tambor 1 Switch de límite 1 Switch de nivel 1 Relevador de control 2 Estaciones de botones 1 Luces piloto 2 Arrancadores magnéticos 1 Chicharra 2 Relevadores de tiempo (2 de 10 segundos) 35 terminales 1 Multímetro 2 Motores trifásicos. Diagrama:
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE TEHUACAN TECNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MECATRONICA MANUAL DE ASIGNATURA Asignatura: Control de motores eléctricos Revisión: 0 Cuatrimestre: Quinto Plan de estudios: 2012 Página 212 de 282
Funcionamiento: Al energizar el circuito, se encontrará en la posición fuera, entonces la corriente pasará por el contacto normalmente cerrado de A y se energizará la chicharra indicando que ambos motores están fuera de servicio.
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Al seleccionar automático: Cuando se energice el circuito deberá encenderse la bobina de A la cual mande a abrir su contacto normalmente cerrado de A y a la vez se apague la chicharra, también manda a cerrar su contacto normalmente abierto de A enclavando el circuito y energizando RT1 y RT2 , ambos cuentan 20 segundos para cerrar sus contactos normalmente abiertos de RT1 y RT2 respectivamente y a la vez energizar las bobinas M 1 y M 2 entonces prenden las luces verde y roja igualmente indicando que los 2 motores se encuentran en servicio. Ambos motores dejarán de funcionar si existe nivel (ya que el switch se encontrará abierto) y si el switch de límite se encuentra abierto. Si los 2 switchs se abren se impedirá el paso de corriente; en cambio si se abre solo uno, no importa ya que la corriente puede circular por el otro interruptor, ya que se encuentran conectados en paralelo.
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Al seleccionar manual: Al momentote presionar el Botón de arranque local o remoto, deberá encenderse la bobina de A la cual mande a abrir su contacto normalmente cerrado de A y a la vez se apague la chicharra, también manda a cerrar su contacto normalmente abierto de A enclavando el circuito y energizando RT1 y RT2 , ambos cuentan 20 segundos para cerrar sus contactos normalmente abiertos de RT1 y RT2 respectivamente y a la vez energizar las bobinas M 1 y M 2 entonces prenden las luces verde y roja igualmente indicando que los 2 motores se encuentran en servicio. Al presionar cualquiera de los 2 botones de paro se desenergizarán los motores y las luces, entonces los contactores de las bobinas regresan a su posición inicial y se energiza nuevamente la chicharra indicando que los 2 motores reencuentran fuera de servicio.
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3.3 Variadores de velocidad Enlistar las características de operación, configuración y tipos de variadores de velocidad. Realizar la configuración y conexión del variador de velocidad.
El Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Variable Speed Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos,
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hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. También es conocido como Accionamiento de Velocidad Variable (ASD, también por sus siglas en inglés Adjustable-Speed Drive). De igual manera, en ocasiones es denominado mediante el anglicismo Drive, costumbre que se considera inadecuada. La maquinaria industrial generalmente es accionada a través de motores eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos. No obstante, los motores eléctricos generalmente operan a velocidad constante o cuasi-constante, y con valores que dependen de la alimentación y de las características propias del motor, los cuales no se pueden modificar fácilmente. Para lograr regular la velocidad de los motores, se emplea un controlador especial que recibe el nombre de variador de velocidad. Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc. Un variador de velocidad puede consistir en la combinación de un motor eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) también puede ser designado como variador de velocidad.
Motivos para emplear variadores de velocidad El control de procesos y el ahorro de la energía son dos de las principales razones para el empleo de variadores de velocidad. Históricamente, los variadores de velocidad fueron desarrollados originalmente para el control de procesos, pero el ahorro energético ha surgido como un objetivo tan importante como el primero.
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Aplicaciones de los variadores en bombas y ventiladores. Velocidad como una forma de controlar un proceso
Entre las diversas ventajas en el control del proceso proporcionadas por el empleo de variadores de velocidad destacan:
Operaciones más suaves.
Control de la aceleración.
Distintas velocidades de operación para cada fase del proceso.
Compensación de variables en procesos variables.
Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba.
Ajuste de la tasa de producción.
Permitir el posicionamiento de alta precisión.
Control del Par motor (torque).
Fomentar el ahorro de energía mediante el uso de variadores de velocidad
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Un equipo accionado mediante un variador de velocidad emplea generalmente menor energía que si dicho equipo fuera activado a una velocidad fija constante. Los ventiladores y bombas representan las aplicaciones más llamativas. Por ejemplo, cuando una bomba es impulsada por un motor que opera a velocidad fija, el flujo producido puede ser mayor al necesario. Para ello, el flujo podría regularse mediante una válvula de control dejando estable la velocidad de la bomba, pero resulta mucho más eficiente regular dicho flujo controlando la velocidad del motor, en lugar de restringirlo por medio de la válvula, ya que el motor no tendrá que consumir una energía no aprovechada...
Tipos de variadores de velocidad En términos generales, puede decirse que existen tres tipos básicos de variadores de velocidad: mecánicos, hidráulicos y eléctrico-electrónicos. Dentro de cada tipo pueden encontrarse más subtipos, que se detallarán a continuación. Cabe aclarar que los variadores más antiguos fueron los mecánicos, que se emplearon originalmente para controlar la velocidad de las ruedas hidráulicas de molinos, así como la velocidad de las máquinas de vapores. Los variadores de velocidad mecánicos e hidráulicos generalmente son conocidos como transmisiones cuando se emplean en vehículos, equipo agroindustrial o algunos otros tipos de maquinaria.
Variadores mecánicos
Variador de paso ajustable: este dispositivo emplea poleas y bandas en las cuales el diámetro de una o más poleas puede ser modificado.
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Variador de tracción: transmite potencia a través de rodillos metálicos. La relación de velocidades de entrada/salida se ajusta moviendo los rodillos para cambiar las áreas de contacto entre ellos y así la relación de transmisión.
Animación 3D esquemática del funcionamiento
Variadores hidráulicos
Variador hidrostático: consta de una bomba hidráulica y un motor hidráulico (ambos de desplazamiento positivo). Una revolución de la bomba o el motor corresponde a una cantidad bien definida de volumen del fluido manejado. De esta forma la velocidad puede ser controlada mediante la regulación de una válvula de control, o bien, cambiando el desplazamiento de la bomba o el motor.
Variador hidrodinámico: emplea aceite hidráulico para transmitir par mecánico entre un impulsor de entrada (sobre un eje de velocidad constante) y un rotor de salida (sobre un eje de velocidad ajustable). También llamado acoplador hidráulico de llenado variable.
Variador hidroviscoso: consta de uno o más discos conectados con un eje de entrada, los cuales estará en contacto físico (pero no conectados mecánicamente) con uno o más discos conectados al eje de salida. El par mecánico (torque) se transmite desde el eje de entrada al de salida a través de la película de aceite entre los discos. De esta forma, el par transmitido es proporcional a la presión ejercida por el cilindro hidráulico que presiona los discos.
Variadores eléctrico-electrónicos
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Existen cuatro categorías de variadores de velocidad eléctrico-electrónicos:
variadores para motores de CC.
variadores de velocidad por corrientes de Eddy.
variadores de deslizamiento.
variadores para motores de CA (también conocidos como variadores de frecuencia).
3.3. Tipos de variadores
Variadores eléctrico-electrónicos Los variadores eléctrico-electrónicos incluyen tanto el controlador como el motor eléctrico, sin embargo es práctica común emplear el término variador únicamente al controlador eléctrico. Los primeros variadores de esta categoría emplearon la tecnología de los tubos de vacío. Con los años después se han ido incorporando dispositivos de estado sólido, lo cual ha reducido significativamente el volumen y costo, mejorando la eficiencia y confiabilidad de los dispositivos.
Variadores para motores de CC Estos variadores permiten controlar la velocidad de motores de corriente continua serie, derivación, compuesto y de imanes permanentes. Para el caso de cualquiera de las máquinas anteriores se cumple la siguiente expresión: (1) donde
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Vt es el Voltaje terminal (V). K es la constante de la máquina. FM Flujo magnético producido por el campo (Wb) Nm Velocidad mecánica (rpm). Despejando la velocidad mecánica, se obtiene:
(2) Entonces, de (2) puede observarse que la velocidad mecánica de un motor de CC es directamente proporcional al voltaje terminal (VT) e inversamente proporcional al flujo magnético (FM), el cual a su vez depende de la corriente de campo (IF). Aprovechando esta situación es que este tipo de variadores puede controlar la velocidad de un motor de CC: controlando su voltaje terminal, o bien, manipulando el valor de la corriente de campo.
Variadores por corrientes de Eddy Un variador de velocidad por corrientes de Eddy consta de un motor de velocidad fija y un embrague de corrientes de Eddy. El embrague contiene un rotor de velocidad fija (acoplado al motor) y un rotor de velocidad variable, separados por un pequeño entrehierro. Se cuenta, además, con una bobina de campo, cuya corriente puede ser regulada, la cual produce un campo magnético que determinará el par mecánico transmitido del rotor de entrada al rotor de salida. De esta forma, a mayor intensidad de campo magnético, mayor par y velocidad transmitidos, y a menor campo magnético menores serán el par y la velocidad en el rotor de salida. El control de la velocidad de salida de este tipo de variadores generalmente se realiza por medio de lazo cerrado, utilizando como elemento de retroalimentación un tacómetro de CA.
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Variadores para motores de CA Artículo principal: variador de frecuencia Los variadores de frecuencia (siglas AFD ,del inglés Adjustable Frecuency Drive; o bien VFD Variable Frecuency Drive) permiten controlar la velocidad tanto de motores de inducción (asíncronos de jaula de ardilla o de rotor devanado), como de los motores síncronos mediante el ajuste de la frecuencia de alimentación al motor.
Para el caso de un motor síncrono, la velocidad se determina mediante la siguiente expresión:
(4)
Cuando se trata de motores de inducción, se tiene:
(5) dónde: Ns = velocidad síncrona (rpm) Nm = velocidad mecánica (rpm) f = frecuencia de alimentación (Hz) s = deslizamiento (adimensional) P = número de polos.
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Como puede verse en las expresiones (4) y (5), la frecuencia y la velocidad son directamente proporcionales, de tal manera que al aumentar la frecuencia de alimentación al motor, se incrementará la velocidad de la flecha, y al reducir el valor de la frecuencia disminuirá la velocidad del eje. Por ello es que este tipo de variadores manipula la frecuencia de alimentación al motor a fin de obtener el control de la velocidad de la máquina Estos variadores mantienen la razón Voltaje/ Frecuencia (V/Hz) constante entre los valores mínimo y máximos de la frecuencia de operación, con la finalidad de evitar la saturación magnética del núcleo del motor y además porque el hecho de operar el motor a un voltaje constante por encima de una frecuencia dada (reduciendo la relación V/Hz) disminuye el par del motor y la capacidad del mismo para proporcionar potencia constante de salida.
MANUAL DE YAZKAWA V1000 Guía rápida de referencia ESPAÑOL 1 Precauciones de seguridad y advertencias generales . . . 2 2 Instalación mecánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3 Instalación eléctrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4 Funcionamiento del teclado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 5 Puesta en marcha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 6 Tabla de parámetros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
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7 Detección y corrección de errores. . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1 Precauciones de seguridad y advertencias generales Omron Yaskawa Motion Control B.V. (OYMC) suministra dispositivos electrónicos para su uso en una amplia gama de aplicaciones industriales. La selección y aplicación de los productos de OYMC es responsabilidad del diseñador de la máquina o del usuario final. OYMC no acepta ninguna responsabilidad por la forma en que sus productos se incorporen al diseño de sistema final. Bajo ninguna circunstancia se deben incorporar los productos de OYMC en ningún producto o diseño como control de seguridad exclusivo o único. Sin excepción, todos los controles se deben diseñar para detectar fallos dinámicamente y averiarse de forma segura en todas las circunstancias. Todos los productos diseñados para incorporar un dispositivo fabricado por OYMC deben ser suministrados al usuario final con las advertencias e instrucciones adecuadas con respecto al uso y funcionamiento seguros de dicho elemento. Cualquier advertencia indicada por OYMC debe ser proporcionada inmediatamente al usuario final. OYMC ofrece una garantía explícita únicamente en cuanto a la calidad de sus productos según los estándares y especificaciones publicados en el manual. NO SE OFRECE NINGUNA OTRA GARANTÍA, EXPLÍCITA O IMPLÍCITA. OYMC no asume responsabilidad alguna por lesiones personales, daños a la propiedad, pérdidas o reclamaciones derivadas de una aplicación incorrecta de sus productos.
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3.4 REFERENCIAS
http://es.wikipedia.org/wiki/Variador_de_velocidad
Simulador Yazkawa
sw.v1000.01.zip
http://www.yaskawa.com/site/Home.nsf/home/home.html
Cowie, Charles J. (2001). Adjustable Frequency Drive Application Training. Power point presentation. Excerpts donated to Wikipedia by the author.
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Phipps, Clarance A. (1997). Variable Speed Drive Fundamentals. The Fairmont Press, Inc. ISBN 0-88173-258-3.
Spitzer, David W. (1990). Variable Speed Drives. Instrument Society of America. ISBN 1-55617-242-7.
Campbell, Sylvester J. (1987). Solid-State AC Motor Controls. New York: Marcel Dekker, Inc.. ISBN 0-8247-7728-X.
Jaeschke, Ralph L. (1978). Controlling Power Transmission Systems. Cleveland, OH: Penton/IPC.
Siskind, Charles S. (1963). Electrical Control Systems in Industry. New York: McGraw-Hill, Inc.. ISBN 0-07-057746-3
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UNIDAD IV. Mantenimiento a transformadores y motores eléctricos Objetivo. El alumno ejecutará acciones de mantenimiento preventivo y correctivo a transformadores y sistemas de control de motores eléctricos mediante la detección de fallas. Resultado de aprendizaje Elaborará una bitácora de acciones de mantenimiento que incluya:
Pruebas realizadas Detección Diagnóstico Prevención y corrección de fallas a transformadores y motores eléctricos.
4.1 Fallas comunes eléctricas y mecánicas
Fallas de transformadores
Por si durante el funcionamiento, o en las revisiones periódicas, se encontrase alguna anomalía resumimos éstas y sus soluciones en la siguiente tabla:
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FALLAS FRECUENTES EN MOTORES Se ha definido falla eléctrica como "cualquier evento que impide la normal operación (disponibilidad) de algún equipo, esquema o componente de control y protección". Esta amplia definición permite el registro de eventos, aún cuando el equipo afectado no se encuentre plenamente inoperativo, situación muy frecuente en el campo del control y protección de Sistemas Eléctricos. Por otra parte, se define Atención Correctiva como “un procedimiento preestablecido y destinado a retornar a su estado normal de operación (definido o provisorio) al objeto afectado por la falla”. Existen diferentes enfoques para analizar y evaluar el impacto de las fallas sobre los equipos del sistema eléctrico de las Industrias, en general basadas en la evaluación de la potencia o energía perdida con ocasión de cada falla. En este sentido las fallas en un motor eléctrico pueden ser originadas por: • Fallas en los Sistemas de Protección y Control. • Fallas originadas en la operación • Fallas debidas a la no Calidad de la Potencia
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Variadores de deslizamiento Este tipo de variadores se aplica únicamente para los motores de inducción de rotor devanado. En cualquier motor de inducción, la velocidad mecánica (nM) puede determinarse mediante la siguiente expresión:
(3) Donde s es el deslizamiento del motor, cuyo valor oscila entre 0 y 1. De esta forma, a mayor deslizamiento, menor velocidad mecánica del motor. El deslizamiento puede incrementarse al aumentar la resistencia del devanado del rotor, o bien, al reducir el voltaje en el devanado del rotor. De esta forma es que puede conseguirse el control de la velocidad en los motores de inducción de rotor devanado. Sin embargo, este tipo de variadores es de menor eficiencia que otros, razón por la cual en la actualidad tiene muy poca aplicación.
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4.2 Tipos de mantenimientos Describir las características del mantenimiento preventivo y correctivo a transformadores y motores eléctricos.
Ejecutar acciones de un programa de mantenimiento preventivo y correctivo a transformadores y motores eléctricos.
MANTENIMIENTO PREVENTIVO A TRANSFORMADORES TIPO SECO
¡PRECAUCIÓN! Para realizar maniobras de mantenimiento el transformador debe estar desenergizado. Para garantizar periodo largo de vida del transformador es de suma importancia verificar continuamente su comportamiento y proporcionarle un mantenimiento adecuado. Al igual que en cualquier equipo eléctrico, podemos clasificar el mantenimiento a realizar en los transformadores tipo seco, en dos tipos: Mantenimiento Preventivo y Mantenimiento Correctivo.
MANTENIMIENTO PREVENTIVO
-Revisar que no tengan flojos los tacones (separadores entre herrajes y bobinas). -Reapriete de tornillería en general del conjunto núcleo-bobinas. - Desempolvada o limpieza general Preferentemente revisar estas actividades una vez al año.
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MANTENIMIENTO CORRECTIVO
Las fallas que pueden ocurrir a un transformador pueden calificarse como sigue: -Fallas en los devanados -Conexiones flojas -Sobre tensiones -Sobrecargas Fallas en los devanados Estas se pueden presentar debido a rupturas dieléctricas por aislamientos deteriorados, por tensiones de impulso, arqueos por falla de espira a espira. Para la reparación de este tipo de fallas, es de suma importancia que sean realizadas por personal capacitado en este tipo de actividades o bien por personal técnico de nuestra planta.
Conexiones flojas Un falso contacto por conexiones flojas puede provocar calentamientos. Cuando el calentamiento es excesivo, puede dañar el aislamiento Para revisar que no existan conexiones flojas es indispensable que el transformador este desenergizado. Los falsos contactos se pueden detectar mediante un micróhmetro (Ducter) para medir resistencias.
Sobre tensiones En ocasiones son generadas por descargas atmosféricas, por mal diseño o cálculo de los circuitos de distribución de carga, por falta de equipo de protección (Apartarrayos). Las sobre tensiones puedes provocar un exceso de tensión en cada una de las espiras del principio o final del devanado, produciendo arqueo. Es importante revisar siempre los sistemas de protección de los equipos, su adecuado funcionamiento y verificar que las cargas sean correspondientes a la
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capacidad del transformador.
Sobrecargas La sobrecarga en un transformador provoca también elevación excesiva de temperatura en los devanados y por consecuencia un deterioro prematuro de los aislamientos y disminución en la resistencia de aislamiento. Las consecuencias pueden llegar desde un sobrecalentamiento constante hasta un corto circuito en la parte viva (Conjunto núcleo-bobinas). Verifique que no se rebase el nivel máximo permitido de carga, según la capacidad del transformador.
TORQUES DE TORNILLERIA Y ACCESORIOS Los torques que se recomiendan para el apriete de tornillería de accesorios y componentes principales es el siguiente :
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PLACAS PARA CONEXIÓN A TIERRA Son piezas metálicas soldadas al tanque para hacer la conexión a tierra física, deben estar libres de pintura y grasas para evitar falsos contactos y conectados permanentemente al sistema de tierras. NORMAS DE REFERENCIA
NMX-J-351. Transformadores de distribución y potencia tipo seco. NMX-J-169. Métodos de prueba para transformadores de distribución y potencia. NMX-J-409. Guía de carga para transformadores de distribución y potencia sumergidos en aceite. NOM-008-SCFI Sistema general de unidades de medida. NOM-001-SEDE Instalaciones eléctricas NOM-024-SCFI Información comercial para empaques, instructivos y garantías de los productos electrónicos, eléctricos y electrodomésticos.
MANTENIMIENTO PREVENTIVO PARA LOS TRANSFORMADORES EN ACEITE Los transformadores eléctricos sumergidos en aceite se diseñan para operar continuamente bajo condiciones normales. Sin embargo, están expuestos a sobretensiones o en muchas ocasiones son operados bajo condiciones no recomendables (sobrecargas). Esto puede ocasionar que una falla se presente antes de lo previsto y su vida útil se acorte. Para minimizar la probabilidad de falla de un transformador es necesario darle un mantenimiento adecuado. Gracias a éste es posible, en la mayoría de los casos, prevenir las fallas en los transformadores. Por lo tanto, es recomendable que al menos cada 6 meses, se le dé al transformador un servicio de mantenimiento. Deben llevarse a cabo los correspondientes registros para poder analizar los resultados y determinar las medidas necesarias para evitar que pueda presentarse alguna falla. En el
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programa de mantenimiento preventivo se debe establecer el servicio más apropiado. A continuación, se presentan algunas recomendaciones de mantenimiento preventivo. Con ellas, el usuario puede prevenir con oportunidad alguna falla que pudiera presentarse en el transformador.
RECOMENDACIONES PARA EL MANTENIMIENTO PREVENTIVO En cada servicio se recomienda realizar las pruebas o mediciones siguientes: Relación de transformación Resistencia de aislamiento Factor de potencia de los aislamientos Resistencia dinámica de los devanados Rigidez dieléctrica del aceite Factor de potencia del aceite Resistencia a tierra Así mismo, se debe verificar los siguiente: Operación correcta del termómetro (si lo incluye) Adecuado nivel de aceite Ventilación apropiada del transformador Juntas de empaques en buen estado y sin fugas Uniones de soldadura sin fugas Tornillería y conexiones firmemente apretadas Verificar que no haya residuos de carbón ni desprendimiento de gases o humos Limpieza y estado general de las boquillas Limpieza general del tanque Cada vez que se efectúe el mantenimiento anterior, deben analizarse los resultados y tomar las medidas necesarias para prevenir que puedan presentarse
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fallas. En caso de detectar desviaciones, deben investigarse las causas que las originan y tomarse las medidas necesarias para evitar que vuelvan a presentarse. La vida útil del transformador dependerá, en gran medida, del servicio que se le proporcione.
NORMAS NACIONALES APLICABLES A TRANSFORMADORES NMX-J-116-1996-ANCE: NMX-J-285-1996-ANCE: NMX-J-169-1997-ANCE: NMX-J-284-1998-ANCE: NMX-J-287-1998-ANCE:
Productos Eléctricos - Transformadores de distribución Tipo Poste y Tipo Subestación. Productos Eléctricos - Trasformadores de Distribución Tipo Pedestal Monofásicos y Trifásicos para Distribución Subterránea -Especificaciones. Productos Eléctricos - Transformadores -Transformadores y Autotransformadores de Distribución y Potencia - Métodos de Prueba. Productos Eléctricos - Transformadores de Potencia - Especificaciones. Productos Eléctricos - Transformadores de Distribución Tipo Sumergible Monofásicos y Trifásicos para Distribución Subterránea - Especificaciones.
MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE MOTORES Introducción al mantenimiento correctivo El mantenimiento correctivo es una técnica de la ingeniería, que consiste en realizar una serie de trabajos de restauración, que son necesarios cuando la maquinaria, aparatos o instalaciones se estropean, y es necesario recuperarlos. Su reparación es lo que llamamos mantenimiento correctivo
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Alcances del mantenimiento correctivo El mantenimiento correctivo, comprende la compensación de los daños sufridos por fallas incipientes, a una maquinaría o un equipo, y todos los trabajos que resulten pertinentes para su reparación; su aplicación se da cuando el equipo ha dejado de funcionar y es necesario repáralo. Reemplazo de cojinetes Cuando debe remplazarse un rodamiento, es recomendable seleccionar uno precisamente igual. Si hay que usar uno de otra marca, debe de consultarse el catalogo del fabricante, de modo que se utilice un rodamiento con las mismas especificaciones. Una vez obtenido el rodamiento de reemplazo, hay que observar las siguientes precauciones para la instalación de rodamientos: 1. Verifique las tolerancias del eje y la carcasa. 2. Asegúrese que las tolerancias están dentro del intervalo recomendado por el proveedor del cojinete. 3. Limpie el área de instalación y las partes en contacto. 4. No retire la envoltura del rodamiento hasta que se le necesite para la instalación. 5. No exponga el rodamiento al polvo o suciedad. 6. No lave un rodamiento nuevo, porque eliminaría la película protectora. 7. En ningún caso se deberá montar el rodamiento ejerciendo fuerza sobre o a través de los elementos rodantes. NOTA: El arillo exterior, generalmente, se ajusta empujando a mano en la carcasa, en tanto que el anillo interior tiene un ajuste de ligero a pesado sobre el eje (dependiendo de la aplicación).
Reemplazo de bobinas
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Se ha mencionado antes que los motores eléctricos pueden fallar por distintas causas, algunas propias de los motores y otras debidas a los elementos asociados para su operación. Algunas de estas fallas conducen a la presencia de corto circuito, que finalmente se traduce en fallas en los devanados, que se detectan mediante pruebas. Una vez identificado el problema de una falla en los devanados, se procede a tomar las medidas para la reparación de los mismos, es decir, el embobinado o rebobinado. El embobinado de motores es un concepto aplicable a los motores de corriente alterna monofásicos y trifásicos, y va desde el desarmado de los propios motores, hasta los cálculos mismos en su caso. En ciertos casos, sólo se trata de rehacer el mismo devanado que falla, para lo cual se mide el diámetro del conductor (su calibre), después se retiran las bobinas, determinando previamente su distribución en las ranuras y se pesan para calcular la cantidad de alambre necesario. En otros, se hacen los cálculos necesarios para hacer el mismo bobinado, o bien modificar sus características. En cualquier circunstancia, se requiere de un conjunto de conceptos generales que faciliten el trabajo a desarrollar. Cuando se ha concluido, después de hacer una revisión ocular y algunas pruebas de diagnóstico, y se determina que se requiere rebobinar el motor.
MANTENIMIENTO DE MOTORES
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Las inspecciones, las lubricaciones y la limpieza periódica y sistemática hacen parte de un necesario programa de mantenimiento preventivo de las máquinas eléctricas, todo ello con el fin de evitar daños y paradas innecesarias en el trabajo. La ubicación de las máquinas eléctricas va desde lugares en donde no hay polvo, suciedad ni humedad, hasta sitios donde se encuentra toda clase de suciedad. Por eso el periodo de las operaciones de las inspecciones varía según el caso, desde cada semana, hasta casa año, condicionando eso, no solamente por el medio donde trabaja el motor, sino también por el tiempo de trabajo y de la naturaleza del servicio que desempeña. En línea general, se deben observar las siguientes reglas:
Cada semana
• Verificar el nivel de aceite de los cojinetes y de los anillos engrasadores. • Verificar las conexiones de la caja de bornes (cables pelados, tuercas no apretadas). • Examen de los fusibles y de los aparatos de control. • Verificación del alcance de la velocidad de plena carga en un tiempo normal. • Verificar la tensión en los bornes del motor.
Cada seis meses • Verificar la grasa o el estado del aceite de los cojinetes (excesiva grasa puede producir recalentamiento).
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• Examinar las escobillas y portaescobillas (verificar la presión, la correcta posición y el desgaste. Las escobillas que están desgastadas a más de la mitad deben ser sustituidas). • Escuchar el motor a plena velocidad de carga y observar eventuales ruidos mecánicos, luego desde parado, mover el eje para averiguar eventuales desgastes de los cojinetes. • Verificar pernos que sujetan la base del motor, los tornillos que sujetan la placa, los escudos, las tapas de los cojinetes y las tapas de protección. • Inspeccionar el estado de los aparatos de control (arreglar los contactos estropeados y apretar bien las conexiones, verificar el estado de los resortes de los contactos). • Verificar si por algún fusible quemado, el motor no está trabajando con todas las tres fases. • Limpiar la suciedad del motor usando aspiradores (los compresores echarían la suciedad en los enrrollamientos).
Cada año • Limpiar los cojinetes de casquillos y renovar el aceite o grasa (esto es condicionado al ambiente de trabajo del motor). • Verificar el grado de aislamiento del motor. Si la lectura es inferior a un megahomio (1 MΩ) y se presume que el motor esté muy húmedo, entonces hay que secarlo con una estufa hasta que la lectura sea satisfactoria. • Verificar la corriente absorbida por el motor a plena carga, compararla con la que indica la placa de características y concluir si el motor está sobrecargado o subcargado.
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• Verificar la holgura del entrehierro con un calibrador de láminas (no se debe admitir una reducción de esta holgura superior al 20% del entrehierro
Cada dos años • Desmontar el motor y limpiarlo con tetracloruro de carbono. • Secado y rebarnizado del motor (operación condicionadas al tipo de trabajo del motor y al medio circundante).
Recomendaciones generales Se dan los siguientes lineamientos generales: • El polvo con limadura de hierro es abrasivo, produce desgaste y es un buen conductor. • En ambientes muy salinos (como las cercanías del mar), los porta escobillas de las máquinas eléctricas es preferible levantarlos del colector si la máquina se queda mucho tiempo sin trabajar. Se evitarán manchas y corrosiones en el colector. • El recalentamiento de un motor puede ser producido por la obstrucción de los canales de ventilación. Hay que chequearlos y limpiarlos con frecuencia. • Los cojinetes nuevos hay que guardarlos bien envueltos en sitios limpios. No hay que dejarlos mezclados con la herramienta, ni cerca de limaduras o suciedades. • Si en un cojinete hay un escape, no hay que seguir poniendo aceite o grasa. Es necesario un chequeo y arreglar la causa de la pérdida. • En un sistema de tracción, bandas y poleas desajustadas ocasionan sobrecargas en el motor, ineficiencias y pérdidas de energía.
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• Las altas temperaturas en el motor son síntoma de sobrecarga y fallas de aislamiento eléctrico, por lo cual se recomienda realizar periódicamente medidas de termografía en los devanados. • Finalmente y para el caso de arrancadores de motores, se debe realizar periódicamente inspección visual (resecamiento de la bobina, arco en los contactos, suciedad en el núcleo magnético y decoloración de los contactos), auditiva (vibración excesiva del núcleo magnético) y de tacto (verificación de terminales flojos, desuniformidad de presión en los contactos y temperaturas anormales) .
FUENTES BIBLIOGRÁFICAS
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