Operacion de motores

OPERACIÓN DE MOTORES TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN __________________________________________________ PropÓsitos del MÓdulo _____________________________________________

1 2

SECCIÓN NO.1 - PRINCIPIOS FUNDAMENTALES Introducción _______________________________________________________ 3 Magnetismo y Polos Magnéticos _______________________________________ 4 Generación de Energía Mecánica Mediante el uso de Campos Magnéticos_______ 7 Electromagnetismo y Campos Magnéticos________________________________ 8 Corriente Alterna (CA) Monofásica y Trifásica ____________________________ 10 Inducción _________________________________________________________ 11 Repaso 1 __________________________________________________________ 13 SECCIÓN NO.2 - COMPONENTES DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS Y OPERACIONES Introducción _____________________________________________________ Estator __________________________________________________________ Rotor ___________________________________________________________ Rodamientos _____________________________________________________ Carcazas ________________________________________________________ Operación del Motor_______________________________________________ Motores Inducción de Trifásicos _____________________________________ Repaso 2 ________________________________________________________

17 18 19 21 21 22 24 25

SECCIÓN NO.3 - CONSIDERACIONES DE OPERACIÓN Introducción _____________________________________________________ Alarmas_________________________________________________________ Detectores de Temperatura y Resistencia (RTD’s) ________________________ Causas Comunes para Condiciones de Alarma __________________________ Arranque de un Motor Eléctrico en la Línea Principal_____________________ Parada de un Motor________________________________________________ Velocidad de Operación ____________________________________________ Potencia ________________________________________________________ Repaso 3 ________________________________________________________

27 28 28 30 31 32 32 32 33

RESUMEN_________________________________________________________ 35 GLOSARIO _______________________________________________________ 37 RESPUESTAS_______________________________________________________ 40 APÉNDICE A - REPASO ELÉCTRICO ________________________________ 41

ATENCION El personal de operaciones usa tecnología para alcanzar metas específicas. Un objetivo clave del programa de entrenamiento es promover la comprensión de la tecnología que el personal operativo, usa en su trabajo diario. Este programa de entrenamiento refuerza la relacion trabajo-habilidades mediante el suministro de información adecuada de tal manera que los empleados de oleoductos la puedan aplicar inmediatamente. La información contenida en los módulos es teórica. El fundamento de la información básica facilita el entendimiento de la tecnología y sus aplicaciones en el contexto de un sistema de oleoducto. Todos los esfuerzos se han encaminado para que reflejen los principios científicos puros en el programa de entrenamiento. Sin embargo en algunos casos la teoría riñe con la realidad de la operación diaria. La utilidad para los operadores de oleoductos es nuestra prioridad mas importante durante el desarrollo de los temas en el Programa de Entrenamiento para el Funcionamiento de Oleoductos.

OPERACIÓN DE MOTORES Equipos para Oleoductos

© 1996 IPL Servicios de Tecnología y Consultoría Reproducción Prohibida (Febrero 1996)

IPL TECHNOLOGY & CONSULTING SERVICES INC. 7th Floor IPL Tower 10201 Jasper Avenue Edmonton, Alberta Canada T5J 3N7 Telephone Fax

+1 - 403-420-8489 +1 - 403-420-8411

Referencia: 2.6 Motor Op – Nov, 1997

HABILIDADES DE ESTUDIO Para que el aprendizaje de los módulos sea más efectivo, se sugiere tener en cuenta las siguientes recomendaciones. 1. Trate de que cada periodo de estudio sea corto pero productivo (de 10 a 45 minutos). Si usted ha establecido que estudiará durante los cinco dias de la semana un total de dos horas por día, separe los tiempos de estudio con periodos de descanso de dos a cinco minutos entre cada sesion. Recuerde que generalmente una semana de auto estudio reemplaza 10 de horas de asistencia a clases. Por ejemplo si usted tiene un periodo de tres semanas de autoestudio, deberá contabilizar treinta horas de estudio si quiere mantener el ritmo de la mayoría de los programas de aprendizaje. 2. Cuando usted esté estudiando establezca conexiones entre capítulos y tareas. Entre más relaciones logre hacer le será más fácil recordar la información. 3. Hay cuestionarios de autoevaluación al final de cada sección del módulo. Habitualmente el responder a estos cuestionarios incrementará su habilidad para recordar la información. 4. Cuando esté leyendo una sección o un módulo, primero de un vistazo rápido a toda el material antes de comenzar la lectura detallada. Lea la introducción, conclusiones y preguntas al final de cada sección. A continuación como una tarea separada estudie los encabezados, gráficos, figuras y títulos. Despues de esta excelente técnica de revision previa, usted estará familiarizado con la forma como está organizado el contenido. Después de la lectura rápida continue con la lectura detallada. Su lectura detallada, refuerza lo que ya usted ha estudiado y además le clarifica el tema. Mientras usted este realizando esta lectura deténgase al final de cada sub-sección y pregúntese “¿Que es lo que he acabado de leer?” 5. Otra técnica de estudio útil es escribir sus propias preguntas basadas en sus notas de estudio y/o en los titulos y subtitulos de los módulos.

6. Cuando esté tomando notas en el salón de clases considere la siguiente técnica. Si usa un cuaderno de de argollas escriba solo en las página de la derecha. Reserve las página de la izquierda para sus propias observaciones, ideas o áreas en las que necesite aclaraciones. Importante: escriba las preguntas que su instructor hace, es posible que usted las encuentre en el custrionario final. 7. Revise. Revise. Revise, El revisar el material aumentará enormemente su capacidad de recordar. 8. El uso de tarjetas para notas, le ayudará a identificar rápidamente áreas en las cuales usted necesita repasar antes de un exámen. Comience por ordenar a conciencia las tarjetas después de cada sesión de lectura. Cuando aparezca una nueva palabra, escríbala en una cara de la tarjeta y en el reverso escriba la definición. Esto es aplicable para todos los módulos. Por ejemplo, simbolos químicos/que representan; estación terminal/definción; una sigla(acronismo)/que significa. Una vez haya compilado sus tarjetas y se este preaparando para una prueba, ordénelas con el lado que contiene las palabras hacia arriba; pase una tras otra para verificar si usted sabe que hay en el reverso. Se ha preguntado usted por qué gastar tiempo innecesario en significados o conceptos? Porque las tarjetas que no pudo identificar, le indican las áreas en las cuales necesita reforzar su estudio. 9. Adicionalmente estos módulos tienen identificados métodos de enseñanza específica para ayudar a la comprensión del tema y su revisión. Los términos (palabras, definiciones), que aparecen en negrilla están en el glosario. Para relacionar la información de los términos y su significado, los números de las páginas aparecen en las definiciones del glosario con el objeto de identificar donde apareció el término por primera vez en el téxto. Las definiciones que en el glosario no tienen ningún número de página es importante de igual manera entenderlas, pero están completamente explicadas en otro módulo.

OPERACIóN DE MOTORES

Las unidades de bombeo son mecanismos claves en un sistema de oleoducto. Al arrancar o parar las unidades de bombeo, los operadores controlan el movimiento de líquidos en un oleoducto. A su vez aseguran que el líquido sea transportado en condiciones seguras y a la tasa de flujo apropiada. Desde el centro de control, los operadores pueden operar unidades de bombeo localizadas en posiciones remotas ordenando comandos como ARRANQUE o PARADA de la unidad. Las bombas y motores son equipos complejos de alto costo, que pueden dañarse si son utilizados incorrectamente. Los operadores necesitan conocer a fondo como operan los motores y las bombas para poder transportar líquidos en condiciones seguras a través de un sistema de oleoducto, mantener la programación y minimizar el mantenimiento y los costos de reemplazo.

INTRODUCCIÓN

En la industria constructora de oleoductos, existen muchas clases de motores y bombas. Algunas bombas funcionan con motores diesel y otras con turbinas.

Figura 1 Bomba y Motor en la Línea Principal. En casi todas las localizaciones, los oleoductos utilizan motores eléctricos para accionar bombas centrífugas. La capacidad de los motores de las bombas en la línea principal es típicamente entre 900 y 5000 hp.

1

PROGRAMA DE ENTRENAMIENTO PARA OPERACIONES DE DUCTOS

Este módulo describe los principios operacionales de un motor eléctrico y demuestra como funcionan estos principios. En la última sección se describen los motores utilizados para impulsar las bombas de una línea principal. Tener un conocimiento básico de los principios de electricidad es extremadamente útil cuando analizamos motores eléctricos. Para analizar y revisar los conceptos mencionados a continuación, ver el Apéndice A que está al final de este módulo. Los conceptos incluidos en el Apéndice A incluyen: • electrones • capas orbitales • capa de valencia • electrón valencia • iones • electrones libres • corriente • corriente alterna • amperios • fuerzas electromotrices • voltios • resistencia • circuitos abiertos y cerrados • corto circuito.

PROPOSITOS DEL MÓDULO

Este módulo presenta información sobre los siguientes objetivos: • Describe los principios fundamentales y los componentes de un motor eléctrico. • Presenta detalles sobre la teoría y operación de un motor de inducción de corriente alterna (CA). • Describe los motores de inducción usados para impulsar las bombas de una línea principal.

PRE-REQUISITOS Programa de Capacitación. Introducción al comportamiento de fluidos.

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SECCIÓN NO 1

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

Los motores eléctricos utilizan la fuerza de atracción y repulsión que ocurre entre dos campos magnéticos para hacer rotar un eje conectado a una bomba. El eje rotatorio provee la energía mecánica que la bomba luego convierte en carga. La carga creada por la bomba le imprime velocidad al líquido aguas abajo en el oleoducto. Para entender cómo funciona un motor eléctrico, se debe tener conocimiento sobre campos magnéticos y lo que sucede cuando estos campos interactúan. La Sección No 1 de este Módulo explica los principios fundamentales de magnetismo incluyendo:

INTRODUCCIÓN

• polos magnéticos • campos magnéticos • electromagnetismo y • campos electromagnéticos Además, esta sección explica la corriente alterna trifásica y como la corriente puede ser inducida en un conductor mediante su exposición a un campo magnético. Después de esta sección usted será capaz de comprender los siguientes propósitos: • Reconocer la definición de magnetismo. • Reconocer el término inducción. • Relacionar los principios de magnetismo con la producción de energía mecánica. • Diferenciar un campo electromagnético de un campo magnético natural • Diferenciar corriente monofásica de corriente trifásica.

OBJETIVOS

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MAGNETISMO Y POLOS MAGNÉTICOS

El término magnetismo se refiere a la atracción y a la repulsión que puede existir entre los materiales ferromagnéticos, en el cual uno de los materiales se magnetiza. Entre los principales materiales ferromagnéticos tenemos: • hierro • acero • cobalto y • níquel. Otros elementos como el silicón y el aluminio, pueden formar aleaciones con los materiales anteriores, formando luego materiales extremadamente fuertes. La fuerzas de atracción y repulsión, son causadas por partículas diminutas denominadas unidades magnéticas. Las unidades magnéticas descritas en la Sección No.1 de este módulo son en realidad átomos que poseen una característica única conocida como rotación neta del electrón. Los electrones rotan o giran a medida que se mueven en forma de órbitas alrededor del núcleo del átomo. La rotación de los electrones produce un campo magnético alrededor del átomo. Generalmente estos átomos están ordenados al azar y los campos magnéticos se cancelan entre sí. En los materiales magnéticos, los átomos se alinean de manera tal que los campos magnéticos alrededor de los átomos se combinan para formar un gran campo magnético único. En una barra de hierro las unidades magnéticas se dispersan al azar a través de todo el metal. Cada una de las unidades magnéticas posee dos mitades distintas o polos, como se indica en la Figura 2. Una mitad de cada unidad magnética se denomina polo sur y la otra mitad se denomina polo norte. Los nombres Norte y Sur se utilizan debido a que el planeta Tierra por si mismo es un gran imán. Con un polo magnético hacia la parte norte del hemisferio y el otro polo magnético hacia la parte sur del hemisferio. Los términos buscando el norte y buscando el sur, o norte y sur, se utilizan comúnmente para ayudar a distinguir entre las dos mitades. La interacción de los polos magnéticos es un concepto muy importante en la operación de un motor eléctrico. S

S

S N

N

N S

N S

N

N

S

N S

S

S N

S N

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N S

S N

S

N S

N S

N S

N S

N

N

S N S

N S

N S

N

N S

4

N S N S

Las unidades magnéticas se dispersan al azar a través de todos los metales ferrosos como el hierro. Cada unidad magnética posee un polo sur y un polo norte.

N S

N

Figura 2 Unidades Magnéticas.

S


Los extremos o polos de una unidad magnética se llaman polos magnéticos. Existen dos reacciones predecibles entre los polos magnéticos.

POLOS MAGNÉTICOS

Las unidades magnéticas no tienen que tocarse entre si para que una fuerza sea ejercida entre ellos, tan solo deben estar lo suficientemente cerca entre si para que sus fuerzas magnéticas puedan interactuar, como se indica en la Figura 3. Fuerza de Atracción

Fuerza de Repulsión

A

S

Fuerza de Atracción

B

N

S


S

N



S

N

S

N

N

S

N



S

S

N

N

Figura 3 Atracción y Repulsión de Polos Magnéticos Los polos ejercen fuerzas de atracción y de repulsión entre si, sin estar en contacto. Las fuerzas de atracción y repulsión se extienden más allá de la superficie de cada partícula.

5


IMANES

Las fuerzas de atracción y repulsión entre las unidades magnéticas son débiles. Sin embargo, las unidades magnéticas pueden ser colocadas de tal manera que las fuerzas entre ellas se conviertan en fuerzas muy poderosas. Una fuerza magnética exterior que actúa sobre una barra de hierro puede ocasionar que todas las unidades magnéticas en el hierro se alinien en la misma dirección. Todos los polos nortes de las unidades magnéticas apuntan en una dirección y todos los polos sur apuntan en otra dirección.

N

S

N

S

N N

N

N

S

N

N S

S

S N

S

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N N

S

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S

S

S S

N

N

N N

N

S

S

S

N

S

S

N

S

Figura 4 Unidades Magnéticas Alineadas Extremo con Extremo. Cuando las unidades magnéticas en una barra de hierro se alinean con sus polos apuntando en una misma dirección, forman una unidad magnética única denominada imán. Un imán actúa como una gran unidad magnética única.

Cuando las unidades magnéticas en una barra de hierro se alinean con sus polos apuntando en una misma dirección, la barra completa de hierro se comporta como una unidad magnética única o imán. El imán tiene un polo norte y un polo sur. Los polos opuestos de los imanes se atraen y los polos iguales se repelen. La gran fuerza de atracción y repulsión entre dos imanes es utilizada por un motor eléctrico para producir energía mecánica.

CAMPOS MAGNÉTICOS

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Se debe recordar que no es necesario que exista contacto entre los imanes y las unidades magnéticas para repelerse entre sí. Las fuerzas magnéticas no se limitan al imán, sino que se extienden más allá de la superficie del mismo. Los imanes solo deben estar lo suficientemente cerca uno del otro para que las fuerzas magnéticas interactúen. Un campo magnético es el área alrededor del imán donde existe una fuerza magnética (Ver Figura 5).


N S

N S S

Líneas de fuerza magnética

Figura 5 Campos Magnéticos de una Barra y el imán de una herradura. Imanes de distintas formas producen campos magnéticos de diferentes formas.

Podemos generar energía mecánica mediante el aprovechamiento de las fuerzas de atracción y de repulsión que ocurren entre los campos magnéticos. Por ejemplo, la Figura 6 muestra un imán de barra (Imán A) con un eje giratorio colocado en el centro. Cuando se desplaza el polo norte de un segundo imán (Imán B) hacia el polo norte del imán A, se crea una fuerza repulsiva entre los dos imanes. El polo norte del imán A, se aleja del polo norte del imán B, causando la rotación del imán A y la del eje. La rotación del eje es la energía mecánica producida por la interacción de las fuerzas magnéticas. La Figura 6, muestra el método básico de operación de cada motor eléctrico. En vez de utilizar campos magnéticos naturales, un motor utiliza la corriente eléctrica para generar campos magnéticos denominados campos electromagnéticos. Im

S

án


B

N

Imán A

a)

S

N


Figura 6 Generación de Energía Mecánica Mediante el Uso de Campos Magnéticos. a) El imán A se coloca sobre un eje de libre rotación.. Cuando el polo norte del imán B se acerca al polo norte del imán A, la fuerza magnética de repulsión entre los dos polos norte, hace alejar al polo norte del imán A. Entonces el imán A gira.

án

Im

S

GENERACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA MEDIANTE EL USO DE CAMPOS MAGNÉTICOS

B

N

Imán A

b) S

N

b) La fuerza de atracción entre el polo norte del imán B y el polo sur del imán A, causa que el imán A continúe girando hasta que el polo sur del imán A esté lo más cerca posible del polo norte del imán B. La rotación del imán A es la energía mecánica producida por la interacción de las fuerzas magnéticas entre el imán A y el imán B.

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ELECTROMAGNETISMO Y CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS

El electromagnetismo es la creación de un campo magnético mediante el flujo de la corriente eléctrica a través de un conductor eléctrico. Los campos magnéticos como aquellos que ocurren naturalmente en los metales ferrosos también pueden ser generados mediante el uso de la electricidad. Los campos magnéticos producidos mediante el flujo de la corriente eléctrica a través de un conductor eléctrico se denominan campos electromagnéticos. Los motores eléctricos utilizan electrones en vez de imanes naturales debido a: • Los electroimanes pueden producir fuerzas de atracción y repulsión mil veces más fuerte que las fuerzas producidas por los imanes naturales y • Los electroimanes pueden ser desconectados y conectados, mientras que los imanes naturales poseen un campo magnético permanente. Un campo electromagnético se comporta de la misma manera que un campo magnético natural. Ambos campos poseen polo norte y polo sur. Los polos opuestos de los campos electromagnéticos se atraen entre sí y los polos semejantes se repelen entre sí, de la misma manera que ocurre en el ejemplo del imán de barra.

A

Campo Magnético

Cable Conductor

B

Dirección de la Corriente Eléctrica

Figura 7 Campo Electromagnético Generado por el Flujo de la Corriente a Través de un Cable. La corriente que fluye a través de un conductor como un cable de cobre genera un campo electromagnético alrededor del cable. Se debe recordar que el término flujo de corriente se refiere al flujo convencional de la electricidad desde el terminal positivo hasta el terminal negativo. Esto es lo opuesto al flujo de electrones.

Cuando la corriente fluye, la dirección del campo electromagnético alrededor del cable depende de la dirección de la corriente que fluye a través del conductor. Cuando la corriente a través del cable cambia de dirección, la dirección del campo magnético también cambia.

8


Dirección de la corriente Eléctrica

A

Cable Conductor

Campo Magnético

B

Figura 8 Inversión del Campo Magnético Ocasionado por la Inversión del Flujo de la Corriente Cuando la corriente fluye desde el punto A hasta el punto B, el campo magnético funciona en sentido de las manecillas del reloj alrededor del cable cuando se ve desde el punto A. Sin embargo, cuando se ve desde el punto B, el campo electromagnético funciona en sentido contrario a las manecillas del reloj alrededor del cable.

El término arrollado se refiere a una bobina de cable a través del cual puede fluir una corriente eléctrica. Se debe recordar que el campo electromagnético se envuelve alrededor de un cable por el cual fluye la corriente eléctrica. Cuando el cable se enrolla apretadamente en forma de espiral, la corriente fluye a través del cable, el campo electromagnético alrededor del cable se combina para formar un campo electromagnético único, el cual es similar en forma al campo Dirección del magnético generado por un imán de Campo Magnético barra. Cuando el cable se enrolla alrededor de un núcleo de hierro, el campo electromagnético producido es varias veces la resistencia del arrollado sin el núcleo. Los arrollados con núcleos de hierro producen campos electromagnéticos usados en los motores eléctricos.

S

ARROLLADOS

N

A

Dirección del Campo Magnético

Figura 9 Campo Electromagnético Generado por un Arrollado. S

El campo electromagnético generado por un arrollado en la figura 9A, es similar en la forma y comportamiento al campo magnético del imán de barra indicado en la figura 9B.

N

B

9


- Voltios +

CORRIENTE ALTERNA MONOFÁSICA Y TRIFÁSICA

La corriente alterna es una corriente que cambia regularmente su dirección de flujo a través de un conductor. En una corriente alterna monofásica, la corriente fluye en una dirección, se detiene y luego fluye en la dirección opuesta. El ciclo de la dirección de la corriente y el voltaje se mide en grados eléctricos. En un ciclo completo, la corriente comienza fluyendo en una dirección, alcanza su máximo voltaje, después disminuye y cambia de dirección, alcanza su máximo voltaje y luego disminuye de nuevo hasta que se detiene, se tiene 360 grados eléctricos (360°). La Figura 10, grafica el flujo de la corriente eléctrica para una corriente alterna monofásica.

120°

60° 90°

30°

120°

180°

120°

300°

240° 210°

150°

270°

360° 330°

60° 30°

120° 90°

240°

180° 150°

210°

360°

300° 270°

330°

120°

360° Un Ciclo

Figura 10 Comiente Alterna Monofásica Esta gráfica muestra la dirección y voltaje de la corriente alterna monofásica con respecto al tiempo. El eje de las X representa el tiempo; el eje de las Y representa dirección y voltaje de la corriente eléctrica. La corriente fluye en una dirección, alcanza su máximo voltaje, disminuye, cambia de dirección, y otra vez alcanza su máximo voltaje. La distancia en la gráfica de un máximo en una dirección al máximo en la dirección opuesta es 180 grados elétricos.

La corriente trifásica consta de tres voltajes alternos de valores iguales espaciados 120 grados eléctricos. Como lo indica la Figura 11. El voltaje en un circuito trifásico alcanza el máximo en cada una de las direcciones tres veces en cada ciclo.

10


Fase 1

120°

- Voltios +

60° 90°

30°

120°

Fase 2

180°

120°

300°

240° 210°

150°

Fase 3

270°

360° 330°

60° 30°

120° 90°

240°

180° 150°

210°

360°

300° 270°

330°

120°

360° Un Ciclo

Figura 11 Corriente Trifásica Esta gráfica muestra la dirección y el voltaje de la corriente trifásica con respecto al tiempo. El eje de las X representa al tiempo y el eje de las Y representa la dirección y el voltaje. Cada fase de la corriente trifásica esta separada 120 grados eléctricos de las otras dos; por lo tanto la corriente alcanza el máximo voltaje en cada una de las direcciones tres veces cada ciclo de 360 grados.

El término inducción se refiere a la generación de una corriente mediante la colocación de un conductor a través de un campo magnético. Cuando un conductor, por ejemplo un cable de cobre se coloca a través de un campo magnético, el mismo ejerce una fuerza electromotriz en los electrones del cable. La fuerza electromotriz (EMF) es medida en voltios y siempre actúa en dirección perpendicular tanto a las líneas magnéticas de la fuerza como al paso del cable que se desplaza a través de las líneas de las fuerzas. La fuerza electromotriz impulsa a los electrones en dirección perpendicular a las líneas de las fuerzas magnéticas y al paso del cable en movimiento, como se indica en la Figura 12.

INDUCCIÓN

Figura 12 Corriente Eléctrica Inducida Desplazar un cable de cobre a través de un campo magnético causa que una fuerza electromotriz empuje a los electrones en el cable en dirección perpendicular al movimiento del conductor y a una línea a través de los polos magnéticos norte y sur. Esta corriente se denomina, corriente inducida debido a que es inducida por un campo magnético.

Corriente Eléctrica Inducida

N

S

11


El voltaje (EMF) de la corriente inducida en el conductor depende de la resistencia del campo magnético a través del cual pasa el conductor y de la rapidez y dirección del conductor desplazándose a través del campo magnético: • a mayor resistencia del campo magnético a través del cual pasa el conductor, mayor será el voltaje inducido en el conductor y • a mayor rapidez del conductor a través del campo magnético, mayor será el voltaje inducido en el conductor.

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1. Un motor eléctrico es un instrumento mecánico que ______.

a) b) c) d)

convierte energía mecánica a corriente eléctrica convierte corriente eléctrica a energía mecánica convierte corriente eléctrica a carga convierte carga a energía mecánica

REPASO 1

2. El término magnetismo se refiere _______.

a) a la fuerza de atracción y repulsión que existe entre los metales ferrosos b) solamente a la fuerza de atracción existente entre los metales ferrosos c) solamente a la fuerza de repulsión que existe entre los metales ferrosos d) la carencia de cualquier fuerza entre metales ferrosos 3.- Las reacciones predecibles entre polos magnéticos son ____.

a) b) c) d)

polos iguales se atraen y polos opuestos se repelen todos los polos atraen a todos los otros polos todos los polos repelen a todos los otros polos los polos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen

4. El área alrededor de un imán donde existen fuerzas magnéticas se llama _________ magnético.

a) radio b) diferencia c) campo d) posición 5. Un campo electromagnético es causado por ______.

a) b) c) d)

la corriente que no puede fluir a través de un conductor la corriente que fluye a través de un conductor la repulsión que existe entre dos polos magnéticos naturales la atracción entre dos polos magnéticos naturales

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6. Para que dos imanes se repelen entre sí, ellos deben ______.

a) estar en contacto entre sí b) estar orientados de forma tal que el polo sur de uno esté alineado con el polo norte del otro c) estar lo suficientemente cerca para que sus campos magnéticos interactúen d) estar en posición perpendiculares el uno del otro 7. La diferencia entre la corriente alterna monofásica y la corriente trifásica es que la corriente trifásica ______.

a) b) c) d)

alcanza dirección máxima y voltaje máximo cada tercer ciclo es una tercera parte del voltaje de la corriente monofásica es tres veces el voltaje de la corriente monofásica alcanza su máximo en voltaje y dirección tres veces cada ciclo

8. En la mayoría de los sistemas de oleoductos, el motor de la línea principal utiliza ______.

a) b) c) d)

potencia alterna monofásica potencia alterna bifásica potencia alterna trifásica potencia alterna de cuatro fases

9. El término inducción se refiere a ______.

a) un campo electromagnético que utiliza la reacción química dentro de una celda seca b) un campo electromagnético por corriente que fluye a través de un conductor c) una corriente eléctrica generada al pasar un conductor a través de un campo magnético d) energía mecánica utilizando energía eléctrica 10. A medida que incrementa la velocidad de un conductor que se desplaza a través de un campo magnético, el voltaje inducido por el conductor _______.

a) b) c) d)

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aumenta decrece permanece constante desaparece


11. La corriente trifásica alcanza su máximo en voltaje cada ______.

a) b) c) d)

360° 180° 120° 240°

Las respuestas están al final de este Módulo.

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SECCIÓN 2

COMPONENTES DE MOTORES ELÉCTRICOS Y OPERACIONES La Sección No.2 describe los componentes de un motor eléctrico y como los campos electromagnéticos convierten la energía eléctrica a energía mecánica. Después de ésta Sección usted será capaz de comprender los siguientes objetivos. • Identificar y explicar el objetivo de los siguientes componentes de un motor eléctrico: - estator - armazón estatórico - núcleo estatórico - arrollado estatórico - escudos terminales - rotor - núcleo rotórico - arrollado rotórico - anillos terminales rotóricos - eje del rotor - rodamientos y - carcaza. • Reconocer la operación de un motor eléctrico • Reconocer la operación con corriente trifásica de un motor de la línea principal.

INTRODUCCIÓN OBJETIVOS

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Arrollados Estatóricos

Rotor de acero laminado

Estator

Estatórico Núcleo Ventilador Exterior

Carcaza

Eje Rodamientos Escudo terminal

Armazón de Hierro Colado

Figura 13 Motor Eléctrico Un motor eléctrico consiste de un rotor colocado dentro del estator y sujetado mediante rodamientos.

ESTATOR

ARMAZÓN

NÚCLEO ESTATÓRICO

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Un estator es un conjunto cilíndrico de arrollados que generan un campo magnético. El estator consiste de: • el armazón • el núcleo • los arrollados y • los escudos terminales.

El armazón estatórico es la mayor fuente de fortaleza mecánica para todo el motor. El mismo soporta al núcleo del estator, provee soporte para el rotor y el eje es el punto principal de fijación entre el motor y su base. El núcleo estatórico está compuesto de un gran número de láminas de acero delgadas que envuelven a los arrollados estatóricos. Las láminas son una capa delgada de acero laminado. El núcleo estatórico refuerza el campo electromagnético generado por los arrollados del mismo.


Sección del núcleo estatórico

Ranura del arrollado Núcleo estatórico

Cara del polo

Armazón Arrollados

Figura 14 Estator Típico El estator es de forma cilindrica, lo cual permite la colocación del rotor dentro del mismo.

Los arrollados estatóricos son bobinas de cable aislado a través del cual puede fluir la corriente. Los arrollados estatóricos crean los campos rotativos electromagnéticos a los cuales responde el rotor. Las bobinas están enrolladas y conformadas para cumplir las dimensiones específicas del estator y sus polos respectivos. Los escudos terminales son placas de metal en cada extremo del motor. Los rodamientos del eje están dentro de los escudos terminales. Estos escudos soportan el rotor en su posición correcta dentro del estator. El rotor es un conjunto de arrollados que rotan dentro del estator. El rotor consiste de las siguientes partes: • el núcleo • los arrollados Ranura para la • los anillos terminales y Barra conductora Laminaciones • el eje.

ARROLLADOS ESTATÓRICOS

ESCUDOS TERMINALES

ROTOR

Eje

Figura 15 Rotor Típico

Ventilación de Enfriamiento Eje del rotor

Esta figura muestra un Bearing rotor típico Anillo Terminal con sus Rodamiento Anillo terminal de Aluminio principales Núcleo Arrollado embutido (jaula de ardilla) componentes: núcleo, arrollados, anillos terminales y eje.

Rodamientos

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NÚCLEO ROTÓRICO

ARROLLADOS ROTÓRICOS

ANILLOS TERMINALES ROTÓRICOS

EJE DEL ROTOR

VENTILADOR DE ENFRIAMIENTO

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El núcleo rotórico fortalece al campo electromagnético generado por los arrollados del rotor. El núcleo rotórico consiste de capas (laminaciones) de acero laminado encajados en el eje del rotor. Las laminaciones son ranuradas para permitir que los arrollados rotóricos encajen firmemente alrededor del núcleo. Los arrollados rotóricos son barras sólidas generalmente de cobre o aluminio fabricados mediante el vaciado de aluminio líquido dentro de las ranuras del núcleo rotórico, como indicado en la figura 15. Cuando la corriente eléctrica fluye a través de los arrollados del rotor, se genera un campo electromagnético. Este campo interactúa con el campo electromagnético generado por los arrollados estatóricos para producir la energía mecánica. Los anillos terminales rotóricos son anillos uniformes que actúan como terminales eléctricos. Estos anillos se localizan en cada extremo de los conductores del rotor y se fabrican del mismo material que los conductores del motor a los cuales se conectan. Las barras del rotor se fijan a los anillos terminales para formar un circuito eléctrico cerrado. La corriente eléctrica que fluye a través del circuito cerrado genera el campo electromagnético del rotor.

El eje del rotor está ubicado en el centro del rotor y se extiende más allá del núcleo rotórico hacia el armazón estatórico, donde lo soportan los rodamientos de los escudos terminales. El eje se conecta a la bomba mediante el acoplamiento. El ventilador de enfriamiento se fija a un extremo del rotor como se indica en la figura 15. A medida que gira el rotor, el ventilador de enfriamiento circula el aire sobre los arrollados del rotor y el estator para mantenerlos frescos.


El rodamiento es una pieza colocada sobre una abrazadera fija que soporta a un eje permitiéndole que gire. Los rodamientos evitan los movimientos axiales (de extremo a extremo) o los movimientos radiales (laterales), permitiendo que el eje rote en una posición fija. La carcaza es la cubierta que cubre al motor. La carcaza protege al motor de las condiciones climáticas y de objetos extraños, también garantiza que objetos extraños no se traben en las partes móviles del motor. La carcaza encierra además el sistema de ventilación para enfriar al motor durante su operación. Existen tres tipos principales de carcazas: • carcazas con protección contra la intemperie NEMA II • carcazas con ventilación forzada en la base y • carcazas con ventilación forzada en la parte superior. Carcazas a prueba de intemperie NEMA II: estas carcazas se utilizan en gran cantidad de motores nuevos. Las carcazas NEMA II no permiten la formación interna de vapores peligrosos. Este tipo de carcazas no requieren ser purgadas con aire limpio antes de arrancar el motor, lo que significa que los motores con este tipo de carcazas pueden ser arrancados inmediatamente después de haber recibido el comando ARRANQUE de la unidad. Carcazas con ventilación forzada en la base: estas carcazas poseen aperturas para permitir la entrada de aire a través de la parte inferior de ambos extremos del motor, y una salida de aire simple en el centro del fondo del motor. Esta carcaza permite que el motor opere más silenciosamente, que tenga menor mantenimiento y además ocupan menos espacio que las carcazas NEMA II. Sin embargo, estas carcazas requieren ser purgadas con aire antes de arrancar el motor, lo que implica un retardo entre la recepción del comando ARRANQUE de la unidad y el arranque del motor. Carcazas con ventilación forzada en la parte superior: estas carcazas son raramente utilizadas y han sido reemplazadas por las carcazas NEMA II. Estas carcazas poseen aperturas para la entrada de aire en la parte superior de ambos extremos del motor y una entrada de aire simple en el centro de la parte superior del motor. Las carcazas con ventilación forzada en la parte superior también deben ser purgadas antes de arrancar el motor.

RODAMIENTOS

CARCAZAS

PRUEBA DE INTEMPERIE NEMA II

VENTILACION FORZADA EN LA BASE

VENTILACION FORZADA EN LA PARTE SUPERIOR

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OPERACIÓN DEL MOTOR

Cuando la corriente eléctrica fluye a través de un cable en el estator, produce un campo electromagnético. El rotor también posee corriente eléctrica fluyendo a través de él, produciendo un campo electromagnético. Los campos magnéticos generados por el estator y el rotor tienen un polo norte y un polo sur cada uno. Los polos norte de cada campo se repelen entre sí, al igual que los polos sur. El polo norte del estator se atrae con el polo sur del rotor, y el polo sur del estator se atrae con el polo norte del rotor. La combinación de estas fuerzas de atracción y repulsión ocasionan que el rotor gire, por lo tanto, el polo norte del campo electromagnético del rotor está lo más cerca posible al polo sur del campo electromagnético del estator; y el polo sur del campo electromagnético del rotor está lo más cerca posible al polo norte del campo electromagnético del estator. A este movimiento de rotación se le denomina la primera mitad del ciclo de revolución de un motor eléctrico. Cuando la dirección de la corriente eléctrica que fluye a través del estator se revierte, el campo electromagnético del estator también se revierte y los polos norte y sur del campo cambian de posición. Tan pronto como esto ocurre, la fuerza de atracción entre el polo norte del rotor y el polo sur del estator se convierten en fuerza de repulsión, debido a que el polo sur del estator se ha convertido en polo norte. Lo mismo ocurre con el polo sur del rotor y el polo norte del estator. El rotor gira de nuevo para que los polos norte y sur del estator y del rotor estén lo más cerca posible de sus lados opuestos. En este punto, el rotor ha concluido una revolución completa. La polaridad cambia de nuevo en el motor y el rotor gira nuevamente la mitad de un giro. Este proceso de giro del motor es la energía mecánica generada por un motor. El eje se fija a la bomba, la cual usa la energía mecánica del estator para hacer girar el impulsor de la misma. El impulsor de la bomba transfiere la energía mecánica al líquido que se está bombeando en forma de velocidad (energía cinética) y carga (energía potencial). Debido a que las fuentes de energía CA, causan que los polos del estator se alternen entre las polaridades Norte y Sur, el rotor una vez que se arranque, continuará girando cerca de la velocidad sincrónica (3600 rpm para fuentes de energía de 60Hz). Un arrollado de arranque siempre se agrega a los motores monofásicos para asegurar la rotación de arranque correcta. Un rotor estacionario podría permanecer estacionario y calentarse rápidamente sino tiene el arrollado extra. En la figura 16, el polo del estator de la parte superior se ha convertido en un polo sur debido a la dirección instantánea del flujo de la corriente. A medida que las barras del rotor atraviesan el campo magnético, se les

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induce una corriente eléctrica. Esto a su vez ocasiona que aparezcan polos magnéticos en el rotor, cerca del polo del estator pero desplazado debido a la rotación. A medida que la corriente cambia de dirección en los arrollados del estator, la formación de estos polos es de tal manera que siempre están siguiendo el campo del estator. Los polos norte y sur se atraen entre sí y mantienen la rotación. A mayor carga en el rotor, mayor es el desplazamiento del polo inducido y mayor el torque producido por el campo. Esto también resulta en un consumo mayor de corriente por el estator a medida que este último trata de re-establecer su posición original. Los polos del estator revierten su polaridad 120 veces por segundo en una fuente de energía de 60 Hz, el rotor ejecutará medio giro cada 1/120 segundos o a una revolución de 1/60 segundos. Esto resulta en una velocidad del motor ligeramente menor a 3600 rpm, permitiendo cierto deslizamiento, el cual es necesario para desarrollar el torque útil del motor. Dirección instantánea del flujo de corriente

Dirección instantánea del flujo de corriente

Estator de pos polos

Estator de pos polos S

N Barras del rotor con terminales conectados

S

Fuente de Energía CA

Barras del rotor con terminales conectados

N

Fuente de Energía

S

N N

S Parte de un polo

Parte de un polo

Figura 16 Motor de inducción monofásico de dos polos Debido a que la fuente de energía ocasiona que se alternen los polos del estator entre la polaridad Norte y Sur, el rotor una vez arrancado, continuará girando cerca de la velocidad sincrónica (3600 rpm para una fuente de energía de 60 Hz). Fuente de Energía CA

Dirección instantánea del flujo de corriente Estator de dos polos

Fuente de Energía CA

Dirección instantánea del flujo de corriente

S

Arrollados del estator S S

N Eje

N

Estator de dos polos Armazón del estator

Armazón del estator

N

S

Barras del rotor

S

Arrollados del estator N N

S N

Eje

S Barras

N

N

del rotor

S

Figura 17 Motor de Inducción monofásico de cuatro polos Los polos indicados en el rotor mediante el flujo de la electricidad en los arrollados del estator son atraídos por los polos opuestos del estator, ocasionando que el rotor continúe rotando en dirección horaria. El momento del rotor mantiene la rotación durante la inversión de la polaridad del suministro. Debido a que este motor tiene cuatro polos, cada inversión de la dirección de la corriente en el estator resulta solamente en un cuarto de giro del rotor. La velocidad de este motor es la mitad del motor de dos polos, o aproximadamente 1750 rpm para fuentes de suministro de 60 Hz.

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MOTORES DE INDUCCIÓN TRIFÁSICOS

El motor trifásico es un motor eléctrico que utiliza corriente alterna trifásica para girar el campo magnético del estator. Estos motores poseen tres conjuntos de arrollados espaciados a igual distancia en el estator. 1

S

Figura 18 Estator de corriente trifásica

2

3

N

1

S 3

2

N

1

Existen tres conjuntos de arrollados en un estator de corriente trifásica, distanciados a igual distancia entre si. Los arrollados en esta figura se simplifican para dar una idea básica de como operar el estator.

La primera fase de una corriente trifásica entra al primer conjunto de arrollados para crear un campo electromagnético. Esto causa que el rotor gire como se indica a continuación. 2

1

2 3

N

N

S

S 3

2

1

A medida que el voltaje disminuye en la segunda, el mismo aumenta en la tercera fase creando un campo electromagnético en el tercer conjunto de arrollados. El estator gira 60 grados adicionales. A medida que el voltaje disminuye en la tercera fase, el mismo aumenta de nuevo en la primera fase. La corriente alterna revierte la polaridad del campo magnético ocasionando que continúe el ciclo rotativo.

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A medida que el voltaje disminuye en la primera fase, el mismo aumenta en la segunda fase. Este voltaje crea un campo electromagnético en el segundo conjunto de arrollados. El estator gira 60 grados adicionales.

1

3 2

3

N

S N

S 3 2

1


1. El conjunto estacionario de los arrollados en un motor que produce un _____.

a) b) c) d)

estator rotor escudo terminal eje

REPASO NO. 2

2. El componente que provee la resistencia estructural para el motor completo es el _______.

a) b) c) d)

arrollado rotórico núcleo estatórico armazón estatórico núcleo rotórico

3. El componente que refuerza el campo magnético generado por los arrollados del estator es _________.

a) b) c) d)

el núcleo estatórico armazón estatórico rodamiento estatórico escudo terminal estatórico

4. El conjunto estacionario de los arrollados que produce un campo rotativo electromagnético son _________.

a) b) c) d)

los arrollados rotóricos anillos terminales rotóricos arrollados estatóricos escudos terminales estatóricos

5. El componente que encierra a los rodamientos del eje y sujeta al rotor en la posición correcta es _________.

a) b) c) d)

el arrollado estatórico el arrollado rotórico el armazón estatórico el escudo terminal

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6. El conjunto rotativo de arrollados que produce un campo electromagnético se denomina _________.

a) b) c) d)

estator rotor armazón carcaza

7. Los componentes que proveen un circuito cerrado para que la corriente pueda fluir a través de los arrollados rotóricos son _________.

a) b) c) d)

los rodamientos anillos terminales escudos terminales arrollados estatóricos

8. El componente que une al motor con la bomba es _______.

a) b) c) d)

la carcaza el armazón estatórico el rodamiento el acople del eje

9. Los componentes que mantienen al eje rotando en una posición fija son _________.

a) b) c) d)

los rodamientos arrollados anillos terminales carcazas

10.- El componente que asegura que nada se trabe en las partes móviles del motor es _________.

a) el armazón estatórico b) el anillo terminal c) la carcaza d) el eje

Las respuestas están al final del módulo.

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SECCIÓN NO. 3

CONSIDERACIONES DE OPERACIÓN

Esta sección describe situaciones que surgen diariamente durante el uso de los motores de la línea principal, también describe especificaciones generales de operación incluyendo: • alarmas • condiciones para que se active una alarma • arranque de un motor eléctrico • re-arranque de emergencia • parada de un motor eléctrico • velocidad de operación • potencia. Después de esta sección usted será capaz de comprender los propósitos siguientes. • Reconocer y monitorear la temperatura, la vibración y la corriente en un motor eléctrico. • Conocer la velocidad preferida de operación de los motores de la línea principal. • Identificar la potencia nominal utilizada comúnmente por los motores de la línea principal. • Reconocer las causas y efectos de las sobrecargas en motores, así como también los motores trabados. • Aplicar las secuencias de arranque, parada y re-arranque de emergencia en el orden correcto.

INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS

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ALARMAS

Existen distintos sistemas de equipos para monitorear los siguientes parámetros: • temperatura de los componentes de los motores - los detectores de temperatura y resistencia RTD’s están embutidos en el motor • vibración del motor - se utilizan detectores externos • flujo de la corriente en el motor. Un equipo externo como el Multilín monitorea todos los parámetros anteriores entre otros. Cuando la temperatura, la vibración o la corriente exceden el límite máximo, se acciona una alarma y el motor se detiene automáticamente. Como medida de seguridad, el motor no se puede re-arrancar inmediatamente desde el centro de control. En su lugar, un técnico de campo reposicionará manualmente la alarma después de asegurar que el motor está listo para re-arrancarlo. Solamente así, el operador del centro de control puede re-arrancar remotamente el motor.

DETECTORES DE TEMPERATURA Y RESISTENCIA (RTD’S)

Detectores de temperatura y resistencia (RTDs). Estos detectores monitorean el motor para detectar incrementos en temperatura que excedan los límites normales de operación. Las altas temperaturas provocan el deterioro del aislamiento alrededor de los arrollados estatóricos y rotóricos, ocasionando cortocircuito en los arrollados. Cuando las temperaturas exceden los límites de operación de los rodamientos, éstos se inflan o agrietan, provocando vibración severa en el eje y pérdida de lubricación. Cuando un RTD (ver figura 19) detecta temperaturas que no están en conformidad con los límites, el motor se detiene automáticamente. Un técnico de campo deberá reposicionar manualmente la alarma. Los RTD’s se posicionan de la siguiente manera: • seis en el estator (algunos tienen solamente cuatro en la estación, el Multilín contiene la mayoría) y • uno en cada caja de rodamiento. Los RTD’s del estator accionan una alarma cuando la temperatura del estator alcanza 266°F (límite de parada sugeridos por el fabricante). La alarma detiene el motor automáticamente. Los RTD’s en la caja de rodamientos accionan una alarma cuando la temperatura de los rodamientos alcanza 176°F (límites de parada sugerido por el fabricante), la alarma detiene automáticamente el motor.

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2,3 ó 4 cables hacia RTD

Termopozos (Thermowell) (podrían no ser requeridos en todas las instalaciones de motores)

Caja de hierro colado a prueba de explosión

Unidad Electrónica señal de salida 4-20 mA Conducto 2 conductores el par está protegido y retorcido

Figura 19 Detector de temperatura y resistencia Los RTD’s protegen a los motores de altas temperaturas, las cuales pueden dañar seriamente a los arrollados y a los rodamientos.

Estos detectores se instalan en cada caja de rodamientos. Su función es detectar movimientos radiales y axiales excesivos en el eje. Si la vibración excede el límite máximo de operación permitido, se accionará una alarma y el motor se detendrá automáticamente. Un técnico de campo debe reposicionar manualmente la alarma. Los detectores de corriente reaccionan para aumentar o disminuir la corriente consumida por el motor. Si la corriente consumida por el motor es muy alta (sobrecorriente) o demasiado baja (corrientes bajas), el motor se parará automáticamente. Un técnico de campo debe reposicionar inmediatamente la alarma.

DETECTORES DE VIBRACIÓN

DETECTORES DE CORRIENTE

Una alarma de sobrecorriente se accionará, cuando se requiere que una bomba realice más trabajo de lo que el motor puede suministrar. Por ejemplo, un incremento abrupto en la densidad del líquido durante un cambio de bache de producción, ocasionará que la bomba realice un mayor esfuerzo para poder desplazar el líquido. La bomba entonces requerirá más potencia que el motor. La carga extra en el motor causará que el motor consuma mayor corriente y al mismo tiempo el motor tratará de mantener un número constante de revoluciones por segundo. La corriente extra consumida por el motor provocará que la temperatura de los arrollados estatóricos y rotóricos incremente rápidamente, dañando posiblemente los arrollados. La alarma por corriente muy baja se acciona cuando existe rotura en el acoplamiento que une el eje del motor con el eje de la bomba. Cuando este acoplamiento se rompe, el motor se desprende de la bomba, quedando sin carga. La carencia de la carga significa que el motor consume una cantidad significativamente menor de corriente que la normal. Cuando la corriente consumida baja a 40% de la corriente consumida a plena carga, la alarma por corriente baja se activará.

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CAUSAS COMUNES PARA CONDICIONES DE ALARMA SOBRECARGA

MOTORES TRABADOS

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Existen varias situaciones que pueden accionar una alarma durante la operación diaria de una bomba de la línea principal, tales como sobrecarga y motores trabados. Otras fallas eléctricas también se monitorean con el Multilín.

Una sobrecarga se origina cuando el motor es forzado por la bomba para que produzca un torque moderadamente mayor a su capacidad. Por ejemplo, un incremento en la densidad de los líquidos bombeados, puede accionar la alarma de sobrecarga de un motor. Un aumento en la demanda de un motor siempre está acompañado de una disminución en la velocidad del mismo. La sobrecarga ocasiona que el motor consuma grandes cantidades de corriente, la cual eleva la temperatura en los arrollados a niveles peligrosos. Si persiste la condición, el material eléctrico aislante del motor se rompe y se desarrolla un corto circuito. Si la sobrecarga es demasiado alta, el aislante se quema y los arrollados y el núcleo pueden sufrir daños severos. Los RTD’s detectan el calentamiento excesivo. Los PLC exploran los RTD y si se requiere, paran el motor basándose en las lecturas de los RTD’s.

Cuando el eje de un motor eléctrico deja de rotar completamente, aunque el motor aún consume corriente e intenta rotar el eje, se dice que el motor está trabado ó atascado. Un motor trabado genera rápidamente grandes cantidades de calor en el estator y especialmente en el rotor debido a la enorme corriente consumida durante la parada. Ejemplos de daños severos incluyen la quema del material eléctrico aislante y la fundición del material de los arrollados y del núcleo. Los motores trabados provocan que los RTD’s y los detectores de sobrecorriente detengan el motor. El tiempo crítico permitido antes de detener el motor depende de si el mismo estaba frío o caliente antes de trabarse. Los motores generalmente permanecen trabados durante 8 a 17 segundos antes de dañarse. Cada fabricante de motor suministra los tiempos críticos permitidos.


Cuando el comando ARRANQUE DE UNIDAD se emite en el centro de control, este comando es enviado a través de una serie de computadores, denominados Sistema de Control del Oleoducto (PCS), hacia el controlador de lógica programable (PLC). El SCADA es el acronismo en inglés de Supervisión de Control y Adquisición de Datos. El Controlador de Lógica Programable (PLC) es un computador programable en sitio mediante la lógica de escalera, utilizado para monitorear y controlar las operaciones en las estaciones de bombeo. El PLC se encuentra al final de este sistema.

ARRANQUE DE UN MOTOR ELÉCTRICO EN LA LÍNEA PRINCIPAL

Cuando se arranca un motor eléctrico de la línea principal, el PLC no verifica la validez del comando de arranque emitido por el operador del centro de control. El PLC controla, monitorea y protege los equipos de la estación. Existen dos esquemas adicionales de control en uso, el primero utiliza la secuencia del controlador PLC y el segundo utiliza relés más antiguos para controlar las estaciones. Las estaciones controladas por relés están lentamente desapareciendo bajo el programa de equipos eléctricos de distribución y maniobras. Cuando el centro de control emite el comando ARRANQUE DE UNIDAD, el PLC ejecuta la siguiente secuencia. 1. El PLC recibe el comando ARRANQUE DEL SCADA y verifica que no se active ninguna condición de alarma, ni disparos de equipos 2. El PLC asegura que la válvula de la succión está abierta y que la válvula de la descarga ha comenzado a abrirse. 3. Si aplica, los motores con carcazas de ventilación forzada son purgados con aire. 4. El PLC cierra el contactor, permitiendo el flujo de la corriente a través de los arrollados estatóricos. Si alguna de estas condiciones no se ha cumplido, el PLC ignorará el comando ARRANQUE DE LA UNIDAD. Esta es la forma más simple de la lógica ARRANQUE DE LA UNIDAD. Otros tipos de lógica están en uso en aplicaciones específicas del oleoducto.

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PARADA DE UN MOTOR

Cuando se emite el comando PARO DE UNIDAD, el PLC simplemente detiene el flujo de corriente del estator y el motor deja de girar. Dependiendo de la unidad y del servicio que presta, el estado de otros equipos cambiará cuando se pare el motor. Por ejemplo la posición de la válvula de control de presión de la estación puede cambiar, o las válvulas de aislamiento en ambos extremos de la bomba pueden cerrarse. Parar un motor implica además, considerar el efecto que tendrá esta parada en otros motores. Los motores que quedan funcionando deben realizar un mayor esfuerzo y consumir mayor cantidad de corriente eléctrica para que sus bombas puedan producir la carga requerida. El incremento en la carga y en el consumo de la corriente puede sobrecalentar los otros motores, provocando que se paren automáticamente. Antes de parar un motor se debe asegurar que el mismo no será re-arrancado inmediatamente. Cada vez que se arranca un motor se reduce su vida útil. Se debe evitar arrancar un motor innecesariamente. Si un motor va a ser requerido en un corto tiempo, se recomienda dejar el motor operando si las condiciones del oleoducto lo permiten.

VELOCIDAD DE OPERACIÓN POTENCIA

PROTECCIÓN DE MOTORES

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La velocidad de operación preferida para los motores es de 1800 rpm. La velocidad de operación para cada motor debe ser suministrada por el centro de control a través del sistema SCADA.

Los motores de la línea principal proveen desde 900 hasta 5000 Hp (desde 670 hasta 3730 kW). Los tamaños más comunes de motores son los de 1500 0 2500 Hp (1120 ó 1865 kW). La potencia de cada motor debe ser suministrada por el centro de control a través del sistema SCADA. Los motores de la línea principal son protegidos de daños por sobrecalentamiento con equipos de protección de motores. Se puede obtener un mejor entendimiento sobre estos equipos mediante la revisión de los módulos Fundamentos de Electricidad Industrial y Sistemas de Potencia Eléctrica Industrial.


1. El arranque de un motor que ha sido parado por la alarma de un RTD requiere ________.

a) enviar inmediatamente un comando de ARRANQUE DE LA UNIDAD desde el centro de control. b) esperar que se enfríe el motor y luego enviar un comando de ARRANQUE DE LA UNIDAD. c) esperar que se enfríe el motor y luego el motor re-arrancará por si mismo d) que un técnico de campo re-posicione manualmente la alarma.

REPASO NO. 3

2. Un acoplamiento de eje roto se detecta mediante _______.

a) b) c) d)

una alarma de muy baja corriente un detector de vibración un detector de ruido solamente una inspección visual del motor

3. La velocidad deseada de un motor de la línea principal, que ayudará a crear un fuerte engranaje en el motor es _______.

a) b) c) d)

350 rpm 1800 rpm 5000 rpm 8000 rpm

4. Una sobrecarga puede ocurrir _______.

a) mediante el incremento moderado y legítimo en la potencia requerida por una bomba. b) cuando el motor se traba completamente. c) solamente cuando existe un malfuncionamiento severo en la bomba d) cuando se rompe el acoplamiento 5. La sacudida súbita y severa sobre el eje del motor, pero que no es suficiente para trabar el motor, se denomina _______.

a) b) c) d)

sobrecorriente sobrecarga corriente muy baja atascamiento de la carga

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6. Un motor no se dañará si permanece trabado _______.

a) b) c) d)

mientras se abre el motor 25 minutos máximo varios segundos máximo 10 a 20 minutos dependiendo de la temperatura ambiente

7. Los motores de la línea principal pueden ser arrancados _______.

a) b) c) d)

tan frecuentemente como sea necesario cuando el PLC no detecta condiciones de alarmas no más de una vez cada sesenta minutos no más de una vez por día

8. Antes de parar un motor, es importante asegurar que el mismo no se tendrá que re-arrancar inmediatamente y ________.

a) los motores que quedan funcionando pueden manejar correctamente la carga requerida para desplazar el producto. b) el motor ha estado en operación por lo menos 30 minutos c) la secuencia correcta de parada del motor ha sido iniciada d) el motor no se calentará debido a la parada

Las respuestas están al final del módulo.

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SECCIÓN NO. 1 - PRINCIPIOS FUNDAMENTALES •

El magnetismo es la habilidad para atraer o repeler metales ferrosos.

•

Los metales ferrosos poseen unidades magnéticas dispersadas al azar, cada una con dos metales distintos denominados polo norte y polo sur. Cuando las unidades magnéticas se alinean con los polos norte apuntando en la misma dirección, la pieza completa de metal actúa como una unidad magnética única.

•

Los polos magnéticos opuestos se atraen y los polos magnéticos iguales se repelen.

•

El campo magnético es el área alrededor del imán, donde existe la fuerza magnética.

•

La corriente eléctrica que fluye a través de un conductor crea un campo electromagnético alrededor del conductor.

•

Cuando se revierte la dirección del flujo de la corriente eléctrica en un conductor, el campo magnético alrededor del conductor también se revierte. El polo norte del campo ahora se convierte en polo sur y viceversa.

•

Los arrollados son bobinas de cable a través de las cuales la corriente eléctrica puede fluir. El campo electromagnético alrededor de un arrollado toma la forma y actúa como el campo magnético alrededor de un imán de barra.

•

La corriente alterna CA es la corriente que revierte regularmente la dirección de su flujo a través de un conductor. La corriente alterna que fluye a través de un conductor genera un campo electromagnético que cambia regularmente de polaridad.

•

El término inducción se refiere a la generación de una corriente eléctrica mediante la colocación de un conductor a través de un campo magnético.

•

La fuerza electromotriz que induce la corriente eléctrica en un conductor que pasa a través de un campo magnético, siempre actúa perpendicular a las líneas de fuerza a través de las cuales pasa el conductor y perpendicular al movimiento del conductor.

RESUMEN

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SECCIÓN NO. 2 - COMPONENTES DE UN MOTOR ELÉCTRICO Y OPERACIÓN •

Los componentes fundamentales de un motor eléctrico son el estator y el rotor. El estator es un conjunto cilíndrico de arrollados que producen campos electromagnéticos. El rotor es un conjunto de arrollados o barras conductoras alrededor del eje, que pueden rotar libremente dentro del estator.

•

La corriente se induce dentro de los arrollados rotóricos a medida que el rotor atraviesa el campo electromagnético generado por el estator. Esta corriente inducida produce el campo electromagnético del rotor.

•

En la corriente alterna monofásica, la corriente eléctrica fluye en una dirección, se detiene y luego fluye en la dirección opuesta.

•

La corriente trifásica consta de tres voltajes alternos de valores iguales espaciados a 120 grados eléctricos. Los motores trifásicos utilizan la corriente eléctrica trifásica en los arrollados del estator para generar un campo electromagnético rotativo uniforme.

SECCIÓN NO. 3 - CONSIDERACIONES DE OPERACIÓN

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•

Los detectores de resistencia y temperatura (RTD’s) monitorean el motor para detectar incrementos de temperatura que excedan los límites normales de operación.

•

Un detector de vibración se instala sobre la caja del rodamiento en la terminal de accionamiento para detectar movimientos axiales y radiales excesivos en el eje.

•

Los detectores de corriente monitorean los incrementos y las disminuciones de cantidad de corriente consumida por el motor. Una alarma de sobrecorriente se acciona cuando una bomba requiere un torque mayor a la capacidad nominal del motor. Una alarma de corriente muy baja se acciona cuando se rompe el acoplamiento que une el eje de la bomba con el eje del motor.

•

Las alarmas de temperatura, vibración y corriente paran el motor automáticamente.

•

La velocidad de operación preferida para un motor es de 1800 rpm.

•

El tamaño más común para un motor es de 1500 Hp ó 2500 Hp (1120 ó 1865 kW)

•

Cuando un motor se traba por pocos segundos, el calor generado en el estator puede dañar severamente los arrollados.

•

Antes de parar un motor, se debe asegurar que el motor no se tendrá que re-arrancar inmediatamente y que los motores que permanecen funcionando sean capaces de suministrar la potencia requerida. Se recomienda dejar un motor operando si el mismo se va a requerir en corto tiempo y si las condiciones del oleoducto lo permiten.


supervisión de control y adquisición de datos (SCADA) Sistema complejo de computadores incluyendo hardware y software, medios de comunicación, equipos e instrumentos los cuales coleccionan y analizan información de operación y retransmiten reportes al centro de control. Adicionalmente, el sistema SCADA lleva a cabo comandos emitidos por el operador en el centro de control. (p. 31)

GLOSARIO

amperio ( amps ) unidad de medida de la tasa de flujo de carga. (p. 44) arrollado bobina de alambre a través de la cual fluye una corriente eléctrica. (p. 9) campo electromagnético es el campo magnético producido por una corriente eléctrica que fluye a través de un conductor eléctrico. (p. 8) campo magnético área alrededor de un imán donde existen fuerzas magnéticas. (p. 6) capa de valencia es la capa orbital donde se encuentran los electrones más alejados de un átomo. (p. 42) carcaza es la caja donde está encerrado el motor. (p. 21) controlador de lógica programable (PLC) equipo de computación designado para controlar automáticamente ciertos equipos con el propósito de mantener las operaciones de la tubería. (p. 31) corriente alterna ( CA ) es el flujo de carga en un conductor que invierte el orden de dirección en intervalos regulares. (p. 44) corriente Directa (CD) flujo de carga a través de un conductor el cual continúa en una misma dirección. (p. 44) corriente eléctrica flujo de electrones libres a través de conductor. (p. 43) detectores de corriente reaccionan a los incrementos y disminuciones de la cantidad de corriente eléctrica consumida por el motor. (p. 29)

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detectores de temperatura y de resistencia ( RTD ) tipo de instrumento utilizado para medir temperatura mediante el monitoreo de la resistencia eléctrica. (p. 28) electromagnetismo es la creación de un campo magnético por una corriente eléctrica que fluye a través de un conductor eléctrico. (p. 8) electrón partícula sub-atómica consistente de una carga singular de electricidad negativa. (p. 42) electrón valencia electrón en la capa de valencia. Su atracción al núcleo es con frecuencia débil. (p. 42) electrones libres son electrones capaces de moverse de un átomo a otro. (p. 43) estator es el conjunto de arrollados cilíndricos los cuales producen un campo electromagnético Es el principal componente estacionario de un motor eléctrico y consiste de armazón, núcleo, arrollados y escudos terminales. (p. 18) frecuencia es el número de ciclos por segundo, o número de Hertz (Hz). (p. 44) fuerza electromotriz (EMF) también llamada voltaje. (p. 44) inducción es la producción de una fuerza electromotriz en un conductor mientras se mueve a través de un campo magnético. (p. 11) láminas es una capa delgada fabricada de acero laminado. (p. 24) magnetismo se refiere a la atracción y repulsión que puede existir entre dos piezas de material ferromagnético. (p. 4) motor de inducción motor que utiliza corriente inducida en el rotor por un campo electromagnético del estator. (p. 24)

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motor trifásico motor eléctrico que utiliza corriente trifásica para hacer girar el campo magnético del estator. (p. 24) neutrón partícula sub-atómica sin carga, la cual está presente en el núcleo atómico. (p. 42) ohm medida que indica la cantidad de corriente impedida. (p. 45) polos Magnéticos son los extremos o polos de una unidad magnética. (p. 5) protones partícula sub-átomica de carga positiva, la cual constituye junto con los neutrones el núcleo atómico. (p. 42) resistencia oposición al flujo de electrones o fricción eléctrica. (p. 44) rodamientos es una abrazadera de soporte fijo que permite la rotación de un eje instalado. (p. 21) rotor parte rotativa de un motor eléctrico, consiste de núcleo, arrollados, anillos terminales y eje. (p. 19) sistema de control de oleoducto conjunto de computadores que reciben comandos desde el centro de control. (p. 31) unidades Magnéticas las unidades magnéticas se encuentran dispersas al azar en todos los materiales ferrosos como por ejemplo el hierro. Cada unidad magnética posee un polo norte y un polo sur. (p. 4) vatio es equivalente a un voltio accionando un amperio de corriente. voltio unidad de medida de la fuerza que origina el desplazamiento de los electrones en un circuito. (p. 44)

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RESPUESTAS

REPASO 1

REPASO 2

REPASO 3

1. b

1. a

1. d

2. a

2. c

2. a

3. d

3. a

3. b

4. c

4. c

4. a

5. b

5. d

5. d

6. c

6. b

6. c

7. d

7. b

7. b

8. c

8. d

8. a

9. c

9. a

10. a

10. c

11. c

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APÉNDICE A

REPASO ELÉCTRICO

Los motores descritos en este módulo utilizan electricidad para producir energía mecánica. La mayor parte de la Sección No.1 describe los campos electromagnéticos y como estos campos son generados por la electricidad. Para comprender como estos campos son generados es necesario entender qué es la electricidad y como ocurre la corriente eléctrica. Este apéndice provee los conceptos básicos con respecto a la electricidad y a la corriente eléctrica, incluyendo: • • • • • • • • • • • • • • •

INTRODUCCIÓN

electrones capas de órbitas capas de valencia electrones valencia iones electrones libres corriente corriente directa corriente alterna amperios fuerza electromotriz voltios resistencia circuitos abiertos y cerrados, y cortocircuitos.

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ÁTOMOS Y CARGA ELÉCTRICA

Toda la materia está formada por átomos. Los átomos son los bloques de formación básica del universo. Los átomos están formados por partículas denominadas electrones, protones y neutrones. Los protones y los neutrones forman el centro o núcleo de un átomo. Los electrones giran en forma de órbita alrededor del núcleo, como indicado en la figura A-1.

Electrón

Protón

Figura A-1 Ilustración de un Átomo

Los electrones giran en forma de órbita o capa alrededor del núcleo, Cada capa puede contener solamente un cierto número de electrones. La capa más cerca del núcleo contiene un máximo de dos electrones. La segunda capa puede contener un máximo de ocho electrones. Las capas más alejadas del núcleo contienen aún más electrones. La capa mas alejada del núcleo se denomina capa valencia. Los electrones que giran en forma de órbita alrededor de la capa valencia se denominan electrones valencia. Cada electrón en un átomo posee carga negativa, cada protón posee carga positiva, mientras que los neutrones no poseen carga. El número y orden de cargas negativas y positivas de cada átomo puede originar que dos ó más átomos se unan o se enlacen para formar moléculas. Generalmente, el número de electrones de un átomo es igual al numero de protones. La carga eléctrica negativa de los electrones y la carga eléctrica positiva de los protones se eliminan entre sí. Una fuerza puede ocasionar que el número de electrones de un átomo cambie, de forma tal que las cargas positivas y negativas no se cancelen la una con la otra, por lo tanto el átomo ya no es eléctricamente neutro. Un átomo que no es eléctricamente neutro se denomina ión.

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Electrón libre

Figura A-2 Ilustración de un Ión Un electrón sale del átomo, disminuyendo la carga eléctrica negativa total del átomo. El átomo ahora posee una carga positiva neta y se convierte en un ión.

Un electrón en la capa valencia, denominado electrón valencia, puede salir de su órbita alrededor del núcleo y desplazarse como un electrón libre o girar en forma orbital alrededor de un núcleo diferente. Cuando un átomo pierde un electrón, el resto de los electrones no posee suficiente carga combinada negativa para eliminar la carga combinada positiva de los protones en el núcleo. El átomo ahora posee una carga positiva neta, este átomo se denomina ión positivo. Si el electrón que salió del núcleo comienza a girar en forma de órbita alrededor de otro átomo neutro, la carga negativa del electrón extra no estará balanceada con las cargas positivas combinadas de los protones. Este átomo ahora posee una carga negativa neta y se denomina ión negativo. Es el flujo de electrones libres en una dirección a través de un conductor eléctrico. Los electrones libres se mueven al azar en diferentes direcciones a través de todo el conductor. Sin embargo, los electrones pueden ser forzados a moverse en la misma dirección a través de un conductor; de la misma manera que partículas líquidas pueden ser forzadas por una bomba a desplazarse en la misma dirección a través de un oleoducto. La corriente convencional fluye a través de un circuito externo desde la terminal positiva de una batería hasta su terminal negativo.

CORRIENTE ELECTRICA

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El flujo de corriente eléctrica se mide en electrones por segundos o amperios. Un amperio de corriente eléctrica significa que 6 280 000 000 000 000 000 (6.28 × 1018) ó 1 coulomb de electrones se desplaza hasta cierto punto en un segundo.

FUERZA ELECTROMOTRIZ

La fuerza electromotriz (EMF) es la fuerza que provoca el flujo de los electrones libres a través de un conductor. La fuerza electromotriz se mide en voltios (v). No importa cuántos electrones libres existen en un conductor, estos electrones no fluirán a menos que una fuerza los obligue. Los electrones libres en un conductor se comportan de la misma manera que el líquido en reposo dentro del oleoducto. A menos que el líquido reciba una fuerza, el mismo permanecerá en reposo. Se puede pensar que la fuerza electromotriz es como la presión eléctrica que origina el flujo de los electrones. En un proceso denominado inducción, la fuerza electromotriz se utiliza para generar uno de los campos electromagnéticos en un motor eléctrico.

CORRIENTE DIRECTA (CD) CORRIENTE ALTERNA (CA)

RESISTENCIA

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Corriente directa (CD) es la corriente que fluye a través de un circuito eléctrico sin cambiar o revertir la dirección. Corriente alterna (CA) es una corriente eléctrica que cambia de dirección en un ciclo regular. Esto implica que, primero la corriente fluye en una dirección, luego disminuye hasta pararse, después fluye en dirección contraria, disminuye hasta pararse, luego cambia de nuevo en la otra dirección, y así sucesivamente. El movimiento reciprocante de la corriente alterna ocurre rápidamente. La corriente alterna utilizada en Norte América es de 60 ciclos por segundo o 120 inversiones de direcciones por segundo. El movimiento reciprocante de la corriente alterna frecuencia se mide en ciclos por segundo o hertz (Hz). La corriente alterna usada por los motores de la línea principal es una corriente alterna de 60 Hz. La resistencia (R) es la oposición al flujo de la corriente, la misma se mide en ohms. Distintos materiales poseen diferentes números de electrones valencia. Los materiales con escasos electrones valencia, tales como el cobre poseen abundancia en electrones libres que pueden fluir en una corriente eléctrica. Los materiales que poseen abundancia en electrones valencia, como por ejemplo el vidrio, poseen escasos electrones libres que pueden fluir en una corriente eléctrica. Un material con escasos electrones libres es muy resistente al flujo de la corriente y se denomina aislador eléctrico.


El investigador alemán George Ohm descubrió la siguiente relación entre la corriente, la fuerza electromotriz y la resistencia, esta relación se conoce como la Ley de Ohm: Dado: I = corriente ( en amperios) V = fuerza electromotriz EMF ( en voltios) R = resistencia (en ohms) entonces, I=V/R o R=V/I La resistencia en un circuito eléctrico genera energía calorífica. a mayor resistencia, mayor será la energía calorífica generada por una corriente fija. Si la resistencia es demasiada alta, la energía calorífica generada por la corriente puede destruir el conductor. En un circuito cerrado, los electrones pueden fluir a través de un conductor en un ciclo o circuito continuo. Por ejemplo, si se conecta un conductor al terminal positivo y al terminal negativo de una batería, el conductor forma un circuito cerrado. Si se rompe el conductor de tal manera que as terminales no estén unidas, el mismo formará un circuito abierto. La corriente puede fluir solamente a través de un circuito cerrado ( ver figura A-3 ). Generalmente un circuito tiene un interruptor instalado en el conductor; por lo tanto, el circuito puede ser abierto o cerrado cuando sea necesario. Los motores de la línea principal, se conectan o desconectan mediante un interruptor, el cual abre o cierra el circuito eléctrico del motor.

CIRCUITOS ABIERTOS Y CERRADOS

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+

–

Figura A-3 Circuitos Abiertos y Cerrados

A

La figura A muestra un circuito abierto. En este tipo de circuitos, el conductor no conecta los terminales de la batería en un ciclo continuo, como resultado, la corriente no fluye a través del conductor. La figura B indica un circuito cerrado. En este tipo de circuitos, el conductor conecta los terminales de la batería en un ciclo continuo, permitiendo que la corriente fluya desde el terminal positivo de la batería hasta el terminal negativo de la misma.

+

B

CORTOCIRCUITO

En un conductor la corriente siempre fluye a través del paso con la menor resistencia. Esto significa que si el conductor forma un circuito cerrado antes que el mismo llegue hasta el equipo deseado, a través del cual supuestamente deba fluir la corriente, entonces la corriente fluirá solamente a través del circuito cerrado y no a través del equipo deseado. El circuito cerrado en este caso se conoce como cortocircuito.

+

S

Figura A-4 Ilustración de un Cortocircuito En este ejemplo, se desea que la corriente fluya a través del bombillo. Sin embargo, el conductor eléctrico forma un circuito cerrado antes de llegar al bombillo. La corriente siempre fluye a través del paso con la menor resistencia en un conductor; por lo tanto, la corriente fluye solamente desde el terminal positivo de la batería hasta el punto S y luego hacia el terminal negativo de la batería. El circuito cerrado a través del cual fluye la corriente en este ejemplo se denomina cortocircuito.

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Operacion de motores

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