egurid dad en el Traba jo Seguri
1
Objetivos del Capítulo Este capítulo te ayudara: 1.
Identificar los factores eléctricos que determinan la gravedad de una descarga eléctrica.
2.
Sea consciente de los principios generales de seguridad eléctrica, incluyendo el uso de ropa de protección aprobado y utilizando equipo de protección.
3.
Explicar el aspecto de la seguridad de una instalación de puesta a tierra del motor eléctrico.
4.
Describir los pasos básicos en un procedimiento de bloqueo. procedimiento bloqueo.
5.
Tenga en cuenta las funciones de los diferentes organismos encargados de los códigos y normas eléctricas.
La seguridad es la prioridad número uno en cualquier trabajo. Cada año, los accidentes eléctricos causan lesiones graves o la muerte. Muchas de estas víctimas son jóvenes que acaban de entrar al lugar de trabajo. Ellos están involucrados en accidentes que resultan de negligencia, de las presiones y distracciones de un nuevo trabajo, o de una falta de comprensión acerca de la electricidad. Este capítulo está diseñado para estimular la conciencia de los peligros asociados a la energía eléctrica y los peligros potenciales potenciales que pueden existir existir en el trabajo o en un centro de formación.
PARTE 1 eléctrico
Proteción contra choque
Descarga Eléctrica El cuerpo humano conduce electricidad. Incluso las corrientes bajas pueden causar efectos graves para la salud. Espasmo Espasmos, s, quemadura quemaduras, s, parálisis muscular, o la muerte, dependiendo de la cantidad de la corriente que fluye a través del cuerpo la ruta que se necesita , y la duración de la exposición ,
.
1
El factor principal para determinar la gravedad de una descarga eléctrica es la cantidad de corriente eléctrica que pasa a través del cuerpo . Esta corriente depende de la tensión y la resistencia de la trayectoria se sigue a través del cuerpo . La resistencia eléctrica ( R ) es la oposición al flujo de corriente en un circuito y se mide en ohms ( ) . Cuanto menor es la resistencia del cuerpo, mayor será el flujo de corriente y el potenciall peligro de descarga potencia descarga eléctrica . La La resistencia resistencia del cuercuer po se puede dividir en externa (resistencia (resistencia de la piel) e interna (los tejidos del cuerpo y la resistencia a corriente de la sangre). La piel seca es un buen aislante , la humedad disminuye la resistencia de la piel , lo que explica que la l a intensidad de choque es mayor cuando las manos están mojadas. La resistencia interna es baja debido a la sal y al contenido de humedad de la sangre . Hay un amplio grado de variación en la resistencia del cuerpo . Un choque que puede ser fatal para una persona puede causar sólo una breve molestia a otra. Los valores típicos de resistencia del cuerpo son : • • • •
Piel seca —100,000 to 600,000 Piel húmeda —1,000 Parte interna (mano a pie)—400 to 600 Oreja a oreja—100
Piel delgada y húmeda es mucho menos resistente que la piel gruesa o seca. Cuando resistencia de la piel es baja , la corriente puede causar poco o ningún daño a la piel , pero quemar gravemente los órganos órganos y tejidos internos. A la inversa , de alta resistencia de la piel puede producir quemaduras graves en la piel , pero evitar que que la corriente que que entra en el el cuerpo . Voltaje ( E ) es la presión que causa el fl ujo de corriente eléctrica en un circuito y se mide en volts (V ) . La cantidad de tensión que es peligrosa para la vida varía con cada individuo debido a las diferencias en la resistencia del cuerpo y enfermedades del corazón . En general, cualquier voltaje por encima de 30 V se considera peligroso. La corriente eléctrica ( I) es la tasa de flujo de electrones en un circuito y se mide en ampers (A ) o miliampers ( mA ) . Un miliamper es la milésima parte de un amper . La cantidad de corriente que fluye a través del cuerpo de una persona depende de la tensión y la resistencia . Actual corporal se puede calcular usando la ley de la fórmula siguiente Ohm : Corriente Volta j jee / Resistencia =
Si usted entró en contacto directo con 120 voltios y la resistencia del cuerpo era de 100.000, entonces la corriente que fluiría sería: I = (120 V) / (100,000 )= 1.2 mA
2
Chapter 1
Safety in the Workplace
La tensión no es tan fiable una indicación de la intensidad de choque debido a la resistencia del cuerpo varía tan ampliamente que es im posible predeci predecirr la la cantidad cantidad de corrien corriente te resulta resultado do de una tensión dada. La cantidad de corriente que pasa a través del cuerpo y la longitud del tiempo de exposición son, quizás, los dos criterios más fiables de la intensidad de choque . Una vez que la corriente entra en el cuerpo se sigue a través del sistema circulatorio con dirección a la piel. La figura 1-1 ilustra la magnitud relativa y el efecto de la corriente eléctrica . No se necesita mucha corriente para causar una descarga eléctrica dolorosa o incluso mortal . Una corriente de 1 mA ( 1/1000 de un amper ) se puede sentir . Una corriente de 10 mA producirá un choque de intensidad suficiente para evitar el control voluntario de los músculos, lo que explica por qué, en algunos casos, la víctima de un choque eléctrico no es capaz de liberar la presión en el conductor, mientras que la corriente está fluyendo. Una corriente de 100 mA que pasa a través del cuerpo por un segundo o más, puede ser fatal. En general, cualquier flujo de corriente por encima de 0.005 A, o 5 mA , se considera peligroso . Una linterna de 1,5 V puede entregar corriente suficiente para matar a un ser humano, sin embargo, es seguro de manejar . Esto se debe a que la resistencia de la piel humana es lo suficientemente alta para limitar en gran medida el flujo de corriente eléctrica . En los circuitos de bajo voltaje , resistencia restringe el flujo de corriente a valores muy bajos . Por lo tanto , hay poco peligro de una descarga eléctrica. Por otro lado, altos voltajes , pueden obligar a la corriente fluir , hacía la piel para producir un shock. El peligro de una descarga aumenta a medida que aumenta la tensión . El camino a través del cuerpo es otro factor que influye en el efecto de una descarga eléctrica . Por ejemplo , una corriente de mano a pie, que pasa a través del corazón y la parte del sistema nervioso central , es mucho más peligrosa que un choque entre dos puntos en el mismo brazo ( Figura 1-2 ) . La CA ( corriente alterna ) de frecuencia de 60 Hz de tres a cinco veces más peligrosa que la DC (corriente continua ) de la misma tensión y el valor actual. DC tiende a causar una contracción convulsiva de los músculos , a menudo aventando a la víctima lejos de la exposición. Los efectos de la AC en el cuerpo dependen en gran medida de la frecuencia : corrientes de baja frecuencia ( 50-60 Hz ) suelen ser más peligrosas que las corrientes de alta frecuencia . La AC provoca espasmos musculares , a menudo “congelar” la mano (la parte más común del cuerpo en hacer contacto ) al circuito. El puño aprieta alrededor de la fuente de corriente , dando lugar a una exposición prolongada prolong ada con quemadu quemaduras ras graves. graves.
Menos de un miliamper pueden causar la muerte! 1 ampere (100 (1000 0 milliamperes) 900
Lámpara de 100 W
300
Quemaduras severas - paro resíratorio res íratorio
200
El corazón deja de latir 100 90
Cepillo de dientes eléctrico el (10 watts) éctrico (10
50
Dificultad para respirar- Sofocac Sofocaciión
30
Shock severo
20
Contracciones musculares- dificultad para respirar
10
Imposible solltarse Shock doloroso
5
A juste para interruptores de falla
2
Choque leve ón sensación Umbral de sensaci
1 0 (mA)
Figure 1-1 Head to foot
Hand to opposite foot
(1 milliampere = 1/1000 of an ampere)
Magnit udes relativas y ef e fecto de la corriente el éctrica en el cuerpo Hand to hand
Figure 1-2
Typical electric current pathways t hat stop normal pumping of the heart. La lesión eléctrica más común relacionada con una quemadura. Los principales tipos de quemaduras: • Las quemaduras eléctricas, que son un resultado de la corriente eléctrica que fluye a través de los tejidos o huesos. La quemadura en sí puede ser sólo en la su perficie de la piel o de las capas más más profundas profundas de la piel puede verse verse afectada. afectada.
• Quemaduras por arco, son el resultado de una temperatur temperaturaa extremadamente alta, causada por un arco eléctrico (tan alto como 35,000 ° F) en estrecha proximidad con el cuerpo. Los arcos eléctricos pueden producirse como resultado de un contacto eléctrico deficiente o aislamiento fallado. • Quemaduras de contacto térmico, que son un resultado de la piel que entra en contacto con las superficies calientes de los componentes sobrecalentados. Pueden ser causadas por el contacto con objetos dispersos como resultado de la explosión asociado con un arco eléctrico. Si una persona persona sufre un un shock, es es importante liberar a la víctima tan pronto como sea posible sin daño. No toque a la persona hasta que la energía eléctrica esté apagada apagada.. Usted no puede convertirse convertirse en una segunda segunda víctima. La víctima debe ser ser atendida de inmediato por una persona entrenada en RCP (reanimación cardiopulmon cardiopulmonar). ar).
PART 1
Protecting against Electrical Shock
3
PELIGRO
PELIGRO
PRECA PRE CAU UCIÓN
HEARING MUST BE WORN IN THIS AREA
Figure 1-3 Equipo
HIGH
PROTECTION
VENENO
VOLTAGE
4. Quítese todas las joyas de metal para trabajar en ci rcuitos
energizados, el oro y la plata son excelentes conductores energizados, conductores de la electricidad. 5. Pelo largo Encierre o mantener el cabello recortado al trabajar cerca de maquinaria.
Typical safety signs.
de protección personal
Lugares de trabajo: construcción y fabricación fabricación,, por naturaleza, son lugares potencialmente peligrosos. Por esta razón, la seguridad se ha convertido en un factor cada vez más importante en el entorno de trabajo. La industria eléctrica, en particular, se refiere a la seguridad de ser, sin duda, la mas importante prioridad debido a la naturaleza peligrosa de la empresa. Una operación segura depende en gran medida de todo el personal que son informados y conscientes de los peligros potenciales. Las señales de seguridad y etiquetas indican áreas o tareas que pueden pued en supon suponer er un un peligro peligro para el persona personall y / o equip equipos. os. Seña Señales les y etiquetas de advertencia pueden proveer peligro específico, o pueden dar dar instrucciones de seguridad seguridad (Figura 1-3). Para realizar realizar un trabajo de manera seguro, se debe utilizar utilizar la ropa de protección adecuada. Vestimenta apropiada se debe usar para cada sitio de trabajo y la actividad laboral (Figura 1-4). Los siguientes puntos deben ser observados: 1. Los cascos, zapatos de seguridad, gafas deben ser usados en áreas donde se especifican. Además, los cascos deben ser aprobados por el propósito del trabajo eléctrico que se realiza. Sombreros de metal no son aceptables!
Orejeras o tapones de seguridad deben ser usados en áreas ruidosas. 2.
La ropa debe ajustarse bien para evitar el riesgo de enredarse en la maquinaria móvil. Evite el uso de ropa de fi bras sintéticas como poliéster, ya que estos tipos de materiales pueden derretirse o encenders encendersee cuando se expone a altas tem peraturas y pueden pueden aumentar aumentar la gravedad gravedad de una quemadura. quemadura. 3.
Una amplia variedad de equipos de seguridad eléctrica está disponible para evitar lesiones por la exposición a circuitos eléctricos (Figura 1-5). Los electricistas deben estar familiarizados con las normas de seguridad, tales como NFP-70E que se refieren al tipo de equipo de protección requerido, así como la forma deberá ser atendido estos equipos para. Para que los equipos de protección eléctrica que efectúa de hecho tal como fue diseñado, debe ser inspeccionado por daños antes de su uso cada día e inmediatamente después de cualquier incidente que pueda razonablemente sospechoso de haber causado daños. Todos los equipos de protección eléctrica debe aparecer y puede incluir lo siguiente: Equipos de protección. Guantes de caucho de goma se utilizan para evitar que la piel entre en contacto con circuitos energizados. Una cubierta de cuero externa independiente se utiliza para proteger el guante de goma de pinchazos y otros daños. Mantas de goma se utilizan para evitar el contacto con conductores energizados o partes de circuitos cuando trabaje cerca de circuitos energizados expuestos. Todos los equipos de protección de goma debe estar marcado con el voltaje adecuado y la última fecha de la inspección. Es importante que el valor de aislamiento de ambos guantes de goma y mantas tiene una tensión nominal que coincide con la del circuito o equipo que se van a utilizar con. Guantes aislantes deben tener una prueba de aire, junto con la inspección .
Hard hat Grounding sets
Low-voltage glove and protector Goggles Cotton only, no polyester Tight sleeves and trouser legs
Hot switch stick
No rings on fingers Safety shoe Electric arc protection apparel
Figure 1-4
Appropriate attire should be worn for each particular job site and work activity.
Figure 1-5
Photo courtesy Capital Safety, www.capitalsafety.com.
Photos: © Lab Safety Supply, Inc. Janesville, WI.
4
Chapter 1
Safety in the Workplace
Electrical safety equipment.
Girar el guante alrededor rápidamente o rodar hacia abajo para atrapar el aire en su interior. i nterior. Apriete la palma , los dedos y el pulgar para detectar cualquier escape de aire . Si el guante no pasa la inspección , debe ser desechado. Ropa de protección - Equipo especial protector para aplicaciones de alta tensión incluye mangas de alta tensión , botas de alto voltaje , cascos de protección , gafas no conductores no conductor y la cara , mantas armarios de distribución, y los trajes de flash. Pértiga - Las pértigas son herramientas aisladas diseñadas para la operación manual de alta tensión, desconectar interruptores , eliminación fusible de alto voltaje y de inserción , así como la conexión y la eliminación de motivos de carácter temporal en los circuitos de alta tensión. Una pértiga se compone de dos partes, partes, la cabeza cabeza o el capó, y la varilla aislante. La cabeza puede ser de metal o de plástico endurecido , mientras que la sección aislante puede ser de madera, plástico , u otros materiales aislantes eficaces. eficaces. Sondas de cortocircuito - Estas sondas se utilizan en circuitos sin corriente para descargar los condensadores cargados o cargas estáticas que pueden estar presentes cuando la alimentación al circuito se desconecta . Además, cuando se trabaja en o cerca de los circuitos de alta tensión , las sondas de cortocircuito deben conectarse y fija colocada como una precaución de seguridad adicional en el caso de cualquier aplicación accidental accidental de voltaje para el circuito. Al instalar una sonda de cortocircuito , conecte primero el clip de prueba para un buen contacto con el suelo . A continuación, mantenga la sonda de cortocircuito por el mango y enganche el extremo de la sonda sobre la pieza o el terminal de conexión a tierra. Nunca toque ninguna parte metálica de la sonda mientras cortocircuito a tierra ti erra circuitos o componentes. Careta - Protectores faciales deben ser usados durante todas las operaciones de conmutación , donde existe la posibilidad de lesiones en los ojos o la cara de arcos eléctricos o destellos , o de vuelo o la caída de objetos que pueden resultar de una explosión eléctrica.
Con las debidas precauciones , no hay ninguna razón para que usted reciba una seria descarga eléctrica. Recibir una descarga eléctrica es una clara advertencia de que no se han seguido las medidas de seguridad adecuadas. Para mantener un alto nivel de seguridad eléctrica mientras usted trabaja, hay una serie de precauciones que debe seguir. Su trabajo individual tendrá sus propios requisitos de seguridad únicos. Sin embargo , la siguiente se dan como fundamentos esenciales. • Nunca tome un choque a propósito. • Mantenga el material o el equipo por lo menos 10 pies de distancia distancia de alta tensión tensión líneas eléctricas aéreas. aéreas.
• No cierre ningún interruptor a menos que usted está familiarizado con el circuit circuito o que controla y sabe la razón de estar abierto. • Al trabajar en cualquier circuito , tome medidas para asegurarse de que el interruptor de control no funciona en su ausencia. Los Switches deben estar abiertos, y las advertencias se deben mostrar ( cierre / rotulación ). • Evite trabajar en circuitos “en vivo” tanto como sea posible. • Al instalar nueva maquinaria , asegúrese de que el aramazón este de manera eficiente y permanente aterrizado. • Siempre trate circuitos como “ vivo” hasta que haya compro bado que sean “descon “desconectado”, ectado”, La suposición puede ser la muerte. Es una buena práctica tener una lectura del medidor antes de comenzar a trabajar en un circuito desconectado. • No toque ningún objeto a tierra mientras se trabaja en equipo eléctrico. • Recuerde que, incluso con un sistema de control de 120 V, puede tener un voltaje voltaje más alto en el panel. Siempre trabaje trabaje para que esté esté libre de cualquier cualquier de los voltajes voltajes más altos. (A pesar de que se está probando probando un sistema sistema de 120 120 V , que son sin duda muy cerca de 240 V o 480 V de potencia . ) • No introduzca las manos en equipos energizados mientras éste funciona . Esto es particularmente importante en los circuitos de alta tensión . • Utilice buenas prácticas de cableado eléctrico incluso para la prueba. A veces puede que tenga que hacer conexione conexioness alternas, pero que sean lo suficientemente seguros para que ellos no sean en sí mismos un riesgo eléctrico. • Cuando se trabaja en el equipo activo que contiene voltajes por encima de los 30 V , trabaje con una sola mano . Manteniendo una mano fuera del camino reduce en gran medida la posibilidad de pasar una corriente a través del pecho . • Descargar de forma segura los condensadores antes de manipularlos. Los condensadores conectados en circuitos de control de motor en vivo pueden almacenar una carga letal durante un tiempo considerable después de que el voltaje a los circuitos ha sido desactivado desactivado . Si bien el artículo 460 del Código Eléctrico Nacional ( NEC ) requiere una descarga automática en 1 minuto, nunca asumir que la descarga es de trabajo ! Siempre verifique que no hay voltaje presente. Los espacios confinados se pueden encontrar en casi cualquier lugar de trabajo . La figura 1-6 ilustra ejemplos de espacios confinados típicos . En general , un “espacio confinado “ es un espacio cerrado o parcialmente cerrado que : • No está diseñado ni pensado para la ocupación humana sobre todo . • Tiene una entrada restringida o de salida a través de la ubicación , tamaño, o medios. • Se puede representar un riesgo para la salud y la seguridad de cualquier uno que entra , debido a su diseño , la construcción , la ubicación, o la atmósfera , los materiales o sustancias
PART 1
Protecting against Electrical Shock
5
Tunnels
Wells
Manholes
Tanks
Culverts
Silos
Figure 1-6
Confined spaces.
Photo courtesy Capital Safety, www.capitalsafety.com.
Todos los peligros que se encuentran en un espacio de tra bajo regular también se pueden encontrar en un espacio confinado. Sin embargo, pueden ser incluso más peligrosos en un espacio confinado que en un lugar de trabajo habitual. Peligros en espacios confinados pueden incluir la mala calidad del aire, el peligro de incendio, el ruido, las partes móviles de los equipos, las temperaturas extremas, mala visibilidad, y la falta de barrera que resulta en una inundación o la liberación de un sólido de flujo libre.
PART 1
Review Questions
1. ¿La gravedad de un aumento o disminución de una descaga eléctrica con cada uno de los siguientes cambios? a. Una disminución en el voltaje de la fuente b. Un aumento en el flujo de corriente cuerpo c. Un aumento de la resistencia del cuerpo d. Una disminución del tiempo de exposición 2. a.Calcular el flujo de corriente cuerpo teórico (en ampers y miliampers) de una víctima de una descarga eléctrica que entra en contacto con una fuente de energía 120-V. Supongamos una resistencia total de 15.000 (piel, el cuerpo y contactos de tierra). b. ¿Qué efecto, si las hubiese, la cantidad de corriente es probable que en el cuerpo? 3. Normalmente, una batería de linterna de 6 volts con capacidad de 2 A de corriente se considera seguro para manejar. ¿Por qué?
PART 2
Puesta
a
Tierra—Bloqueo —Codigos
tierra
y
conex xi ón
Las prácticas apropiadas de conexión a tierra protegen a las personas contra los riesgos de electrocución
6
Un “espacio confinado con permiso requerido” es un espacio cerrado que tiene riesgos de seguridad asociados de salud es pecíficas. Espacios confinados que requieren permiso requieren de una evaluación de los procedimientos de conformidad con las normas de la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) antes de la entrada.
Chapter 1
Safety in the Workplace
4. ¿Por qué la CA a una frecuencia de 60 Hz es considerado como potencialmente más peligrosa que la DC de la misma tensión y el valor actual? 5. Equipo de seguridad eléctrico que debe utilizarse para llevar a cabo cada una de las siguientes tareas: a.- Una operación de conmutación, donde hay un riesgo de lesiones en los ojos o la cara de un arco eléctrico. b.- Con un multímetro para comprobar el voltaje de la línea en un3-fase sistema de 480 voltios. c.- La apertura de un accionamiento manual de alto volta je conectar el interruptor. 6. Describir el procedimiento de seguridad a seguir para conectar sondas de puente entre los circuitos sin corriente. 7. Enumere tres piezas de equipo de protección personal que se requiere ser usados en la mayoría de los sitios de trabajo.
Asegurar el correcto funcionamiento de los dispositivos de protección contra sobrecorriente. Se requiere conexión a tierra intencional para el funcionamiento seguro de los sistemas y equipos eléctricos. Tierra no intencional o accidental se considera un fallo en los sistemas de cableado eléctrico o circuitos.
Las razones principales para la puesta a tierra son: • Para limitar la tensión de sobretensión causada por un rayo, las operaciones del sistema de servicios públicos, o por contacto accidental con líneas de alta tensión.
Utility transformer
L1
L2
N
Earth Ground fault current
• Proporcionar una referencia de tierra que estabiliza la tensión en condiciones normales de funcionamiento.
Path through earth not acceptable for ground path because of high impedance
• Para facilitar el funcionamiento de los dispositivos de so brecorriente tales como interruptores, fusibles y relés bajo condiciones de falla a tierra. “Conexión” es la unión permanente de las juntas de metal partes que no tienen la intención de llevar la corriente durante el funcionamiento normal operación, lo que crea un camino conductor de la electricidad que puede llevar con seguridad actual en condiciones de falla a tierra. Las razones principales para la unión son: • Establecer una vía eficaz para la corriente de falla que facilita la operación de protección de sobrecorriente dispositivos. • Para reducir al mínimo riesgo de descarga eléctrica a las personas al proporcionar una trayectoria de baja impedancia a tierra. límites de Vinculación la tensión de contacto cuando no portador de corriente las partes metálicas están inadvertidamente energizados por una falla a tierra. El Código exige que todo el metal utilizado en la construcción de un sistema de cableado para ser unido a, o conectado a, al sistema de tierra. La intención es proporcionar una baja impedancia camino de regreso al transformador de utilidad con el fin de rápidamente faltas claras. La Figura 1-7 ilustra la corriente de falla a tierra camino necesario para asegurar que los dispositivos de sobrecorriente operan para abrir el circuito. La tierra no se considera un eficaz falla a tierra camino actual. La resistencia de la tierra es tan alto que muy pocos fallos actuales vuelve a la eléctrica Fuente de alimentación a través de la tierra. Por esta razón, la puente de conexión principal se utiliza para proporcionar la conexión entre el conductor de puesta a tierra de servicio y el equipo conductor de puesta a tierra en el servicio. puentes de unión pueden estar situados en todo el sistema eléctrico, pero un puente de unión principal se encuentra sólo en el servicio. Conexión a tierra se lleva a cabo mediante la conexión del circuito a un metálico de tuberías de agua subterránea, la estructura metálica de un edificio, un electrodo de hormigón-revestido, o un anillo de tierra. Un sistema de conexión a tierra tiene dos partes bien diferenciadas: el sistema de puesta a tierra y el equipo de puesta a tierra. sistema de puesta a tierra es l a conexión eléctrica de una de la conducción de corriente conductores del sistema eléctrico en el suelo. Equipo de puesta a tierra es la conexión eléctrica de todas las partes metálicas que no llevan corriente de todas las instalaciones eléctricas.
Service equipment
F1
F2
Main bonding jumper Grounding electrode conductor
Earth grounding electrode
Ground fault to metal conduit
Motor
Figure 1-7
Ground-fault current path.
Los conductores que forman parte de el sistema de puesta a tierra incluyen los siguientes: Equipo de conducción de tierra (EGC) es un conductor eléctrico que proporciona una baja impedancia camino de tierra entre los aparatos eléctricos y cajas dentro del sistema de distribución. La Figura 1-8 muestra la conexión para un EGC. Devanados del motor eléctrico normalmente están aislados de corrientes que lleguen a las partes metálicas del motor. Sin embargo, si el sistema de aislamiento falla, entonces la carcaza del motor podría llegar a ser energizado a la tensión de línea. Cualquier persona en contacto a una superficie conectada a tierra y el motor energizado al mismo tiempo, podrían ser gravemente herido o muertos. Aterrizando la carcasa del motor es obligado a tomar el mismo potencial cero como la tierra, evitando esta posibilidad. Conductor de puesta a tierra es un conductor que ha sido intencionalmente aterrizado. Conductor del electrodo de puesta a tierra es un conductor utilizado para conectar el conductor de tierra del equipo o el conductor de puesta a tierra (en el servicio o en el separado sistema derivado) al electrodo de puesta a tierra (s).
PART 2
Grounding—Lockout—Codes
7
L1
L2
L3
Electronic amplifier Circuit breaker Controller
Relay
Hot Neutral
Overload protection Ground Zero current flows in this conductor under normal operating conditions. Equipment grounding conductor (EGC)
Figure 1-8
Equipment grounding conductor (EGC).
Un sistema derivado es un sistema que suministra energía eléctrica derivada (tomada) de una fuente que un servicio, tales como el secundario de una distribución transformador Un fallo de tierra se define como una no intencional, conexión eléctrica conductora entre una conexión a tierra de un circuito eléctrico y la normalmente no conducción de corriente que llevan, cerramientos metálicos, canalizaciones, equipos metálicos, o de tierra. El interruptor de falla a tierra (GFCI) es un dispositivo que puede detectar pequeñas corrientes de falla a tierra. El GFCI es de acción rápida, la unidad apagará la corriente o interrumpirá el circuito en 1/40 segundo después de que su sensor detecta una fuga tan pequeña como 5 miliamperios (mA). La mayoría de los circuitos fusibles o disyuntores están protegidos contra sobrecorriente de 15 ampers o más. Esta protección es adecuada contra cortocircuitos y sobrecargas. Las corrientes de fuga a tierra pueden ser mucho menos de 15 ampers y aún así ser peligrosos. La figura 1-9 muestra el circuito simplificado de un receptáculo GFCI. El dispositivo compara la cantidad de corriente en el conductor sin conexión a tierra (vivo) con la cantidad de corriente en el (neutro) conductor de protección. Bajo condiciones normales de funcionamiento, los dos serán iguales en valor. Si la corriente en el conductor neutro se hace menor que la corriente en el conductor de calor, existe una condición de falla a tierra. La cantidad de corriente que falta es devuelta a la fuente por el camino de falla a tierra. Cuando la corriente de falla a tierra excede aproximadamente 5 mA del dispositivo de forma automática abre el circuito al receptáculo. GFCI se pueden utilizar con éxito para reducir eléctrica GFCI se pueden utilizar con éxito para reducir peligros eléctricos en los sitios de construcción.
Figure 1-9
GFCI receptacle.
Photo courtesy of The Leviton Manufacturing Company, www.leviton.com.
La protección de falla a tierra normas y reglamentos de OSHA se han determinado necesarias y apropiadas para la seguridad y salud de los empleados. De acuerdo con OSHA, es responsabilidad del empleado proporcionar: (1) interruptores de circuito de falla a tierra en las obras de construcción de salidas de receptáculos en uso y no, parte del alambrado permanente del edificio o estructura, o (2) un equipo de puesta a tierra asegurado en obras de construcción, cubriendo todos los juegos de cables, tomas que no son parte de la cableado permanente del edificio o estructura, y el equipo conectado por cordón y enchufe que están disponibles para su uso o utilizados por los empleados. .
Bloqueo y etiquetado. “Bloqueo eléctrico” es el proceso de eliminación de la fuente de energía eléctrica y la instalación de una cerradura, lo que impide el poder de ser encendido. “Etiquetado eléctrico” es el proceso de colocar una etiqueta de peligro en la fuente de energía eléctrica poder, lo que indica que el equipo no puede ser operado hasta que se quite la etiqueta de peligro (Figura 1-10). Este procedimiento es necesario para la seguridad del personal.
Figure 1-10
Lockout/tagout devices.
Photos courtesy Panduit Corporation, www.panduit.com.
8
Chapter 1
Safety in the Workplace
Que asegura que nadie inadvertidamente energiza el equipo mientras se está trabajando. El bloqueo eléctrico y etiquetado de seguridad se utiliza en equipo eléctrico de servicio que no requiere alimentación para realizar el servicio como en el caso de la alineación del motor o el reemplazo de un motor o componente de control del motor. Bloqueo significa lograr un estado cero de energía, mientras que equipo está siendo reparado. Basta con pulsar un botón de parada para apagar la maquinaria pero no le proporcionará la seguridad. Alguien que trabaja en el área puede simplemente restablecerla. Incluso un control automatizado separado podría ser activado para anular los controles manuales. Es esencial que todo enclavamiento o sistemas dependientes también pueden desactivarse. Estos podrían dar lugar a que el sistema este aislado, ya sea mecánica o eléctricamente. Es importante probar el botón de inicio antes de reanudar los trabajos, a fin de verificar si es posible fuentes de energía se han aislado. La “etiqueta de peligro” tiene la misma importancia y el propósito como un bloqueo y se utiliza solo sólo cuando un bloqueo no puede adaptarse a los medios de desconexión. Las etiquetas de peligro deben ser bien conectadas en el dispositivo de desconexión con el espacio proporcionado el nombre del trabajador, la operación, y el procedimiento que se esta teniendo a lugar. Los siguientes son los pasos básicos para un procedimiento de bloqueo: • Prepárese para el apagado de la maquinaria: Documente todos los procedimientos de bloqueo en un manual de seguridad de la planta. Este manual debe estar disponible para todos los empleados y contratistas externos de trabajo en las instalaciones. La administración debe tener políticas y procedimientos de bloqueo seguro y también debe educar y formar todos los involucrados en el bloqueo de salida eléctrica o equipo mecánico. Identificar la ubicación de todos interruptores, fuentes de alimentación, controles, dispositivos de seguridad, y otros dispositivos que necesitan ser bloqueado con el fin de aislar el sistema. • Maquinaria o equipos de paro: Detener todo equipo trabajando mediante el uso de los controles cerca de la máquina. • Maquinaria o equipo de aislamiento: Desconectar el interruptor (no operar si el interruptor está todavía encendido). Manténgase alejado de la caja y la cara lejos mientras acciona el interruptor con la mano izquierda (si el interruptor está en el lado derecho de la caja). • Bloqueo y etiquetado de seguridad de aplicaciones: Bloquee el desconectador interruptor en la posición OFF. Si la caja del interruptor es de tipo de interruptor, asegúrese de que la barra de bloqueo esté a la derecha del interruptor en sí y no solo la tapa. Algunas cajas de interruptores contienen fusibles, y estos deben ser eliminados como parte del proceso de bloqueo. Si este es el caso, utilizar un extractor de fusibles para eliminarlos. Utilice un bloqueo a prueba de manipulación con una clave,
por persona que posee el bloqueo. Candados de combinación , cerraduras con llaves maestras, y las cerraduras con duplicado no se recomiendan . Marque la cerradura con la firma de la persona que realiza la reparación y la fecha y hora de la reparación. Puedehaber varias cerraduras y las etiquetas en el interruptor de desconexión si más de una persona está trabajando en la maquinaria. El operador de la máquina (y / o) cerradu-ra y la etiqueta del operario de mantenimiento serán pre-sentar, así como el supervisor de. • Liberación de energí a almacenada: Todas las fuentes de energía que tienen el potencial para encender inesperadamente, energizar, esto debe ser identificado y bloqueado, bloqueado o liberado. • Verif icación de aislamiento: Use una prueba de ten-sión a determinar que haya tensión en el lado de línea el interruptor o interruptor. Cuando todas las fases de salida son muertas con el lado de línea en vivo, se puede veri-ficar el aislamiento. Asegúrese de que el voltímetro está funcionando correctamente mediante la realización de la verificación “en vivomuerto-vivo” antes de cada uso: Primero compruebe el voltímetro en una fuente de tensión conocida de la misma gama de voltaje del circuito que se va a trabajar. Siguiente, cheque por la presencia de ten-sión en el equipo que tiene bloqueado (Figura 1-11). Por último, para asegurar que el voltímetro no tuvo mal fun-cionamiento, compruebe de nuevo en la fuente conocida en vivo. • Eliminación de bloqueo / etiquetado: Quitar etiquetas y candados cuando se haya completado el trabajo. Cada individuo debe eliminar su propio candado y etiqueta. Si hay más de un bloqueo presente, la persona a cargo de la trabajo es el último de eliminar su bloqueo. Antes volver a conectar la alimentación, compruebe que todas las protecciones estén en posición y que todas las herramientas, bloques y tirantes utilizados en la reparación fueron removidos. Asegúrese de que todos los empleados se mantengan alejados de la maquinaa.
Figure 1-11
Testing for the presence of voltage.
Photos courtesy Fluke, www.fluke.com. Reproduced with Permission.
PART 2
Grounding—Lockout—Codes
9
Códigos eléctricos y normas
To distribution panel
ADMINISTRACIÓN DE SEGURIDAD Y SALUD OCUPACIONAL (OSHA)
Motor feeder
En 1970, el Congreso creó una agencia reguladora conocida como la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA). El propósito de OSHA es asegurar la seguridad y las condiciones de trabajo saludables para los hombres y mujeres que trabajan, por lo que se autoriza la aplicación de las normas elaboradas bajo la Ley, alentar y ayudar a los gobiernos estatales para mejorar y ampliar su propia seguridad y la programas de salud, y mediante el establecimiento de la investigación, la información, educación y formación en el campo de trabajo salud y seguridad.
Motor disconnecting means Motor branch-circuit ground-fault and short-circuit protection (fuses or circuit breakers) Motor branch-circuit conductors Motor control circuits Motor controller Motor overload protection
Inspectores de OSHA verificacan a las empresas para asegurarse de que están siguiendo las normas de seguridad establecidas. OSHA También inspecciona y aprueba los productos de seguridad. De OSHA eléctrica estándares están diseñados para proteger a los trabajadores expuestos a peligros tales como descarga eléctrica, electrocución, incendios y explosiones. CODIGO ELÉCTR ICO NACIONAL (NEC)
El Código Eléctrico Nacional (NEC) comprende un conjunto de normas que, cuando se aplica correctamente, tienen por objeto proporcionar una instalación segura de cableado y equipo eléctrico. Este ampliamente adoptado nivel mínimo de seguridad eléctrica tiene como su objetivo principal “la protección práctica de las personas y la propiedad de los riesgos derivados del uso de la electricidad. “ Normas contenidas en el NEC son impuestas por de incorporarse a las diferentes ciudades y comunidades los decretos que se ocupan de las instalaciones eléctricas en viviendas, plantas industriales y edificios comerciales. La NEC es el código más adoptado en el mundo y muchas jurisdicciones adopten en su totalidad y sin excepción o las modificaciones locales o suplementos. Un “artículo” del Código cubre un tema específico. Por ejemplo, el artículo 430 del NEC cubre motores y todos los circuitos asociados, la protección de sobrecorriente, sobrecarga, y así sucesivamente. La instalación del motor de control de centros están cubiertos en el artículo 408, y el aire acondicionado equipo está cubierto en el artículo 440. Cada regla Código que se llama un “área de instrucciones.” una sección de código puede ser dividido en subsecciones. Por ejemplo, la regla que requiere un motor de desconectar ser montados medios está contenida dentro de la vista del motor y la maquinaria accionada en la Sección 430.102 (B). “A los ojos” se define por el Código como visibles y no más de 50 pies de distancia (Artículo 100definiciones).
10
Chapter 1
Safety in the Workplace
Motor branch circuit conductors Motor Motor thermal protection
Figure 1-12
Motor terminology.
El artículo 430 de los motores es el artículo más largo del Código. Una de las razones de esto es que las características de la carga del motor son muy diferentes de calefacción o las cargas de iluminación incandescentes y así el método de proteger conductores del circuito derivado contra exceso de corriente es ligeramente diferente. Circuitos no motores son protegidos contra las sobreintensidades, mientras que los circuitos derivados de motor estén protegidos contra las sobrecargas, así como fallas a tierra fabricantes. y cortocircuitos. El diagrama unifilar de la figura 1-12 ilustra algunos de los términos del motor utilizado en todo el Código y por el equipo de control del motor fabricantes. El uso de aparatos eléctricos en lugares peligrosos aumenta el riesgo de incendio o explosión. lugares peligrosos puede contener gas, polvo (por ejemplo, de granos, de metal, madera o carbón), o fibras voladores (textiles o productos de madera). Un sustancial parte de la NEC está dedicado a la discusión de los peligrosos ubicaciones, porque los equipos eléctricos pueden llegar a ser una fuente de ignición en estas zonas inestables. los artículos 500 a 504 y 510 a través de 517 proporcionan una clasificación y las normas de instalación para el uso de equipos eléctricos en estos lugares. Aparato a prueba de explosiones, dustignition- equipo a prueba, y purgado y presurizado equipos son ejemplos de técnicas de protección que puede ser utilizado en ciertos lugares peligrosos (clasificados). La f igura 1-13 muestra un motor de arranque / parada de l a estación diseñada para cumplir con los requisitos de lugares peligrosos.
En ningún caso use agua, ya que la corriente de agua puede conducir la electricidad a través de su cuerpo y darle un duro golpe. 4. Asegúrese de que todas las personas que salen de la zona de peligro, en un manera ordenada. 5. No volver a entrar en los locales excepto que se hacerlo. Hay cuatro clases de incendios, clasificadas según el tipo de material que se está quemando (véase la figura 1-14):
Figure 1-13
Push button station designed for hazardous
locations. Photo courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.
PROTECCIÓN NACIONAL CONTRA INCENDIOS La Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) desarrolla códigos que rigen las prácticas de construcción del edificio y oficios eléctricos. Es la mayor del mundo y la mayor parte influyente organización de la seguridad contra incendios. NFPA ha publicado casi 300 códigos y normas, incluyendo el NEC, con la misión de prevenir la pérdida de la vida y la propiedad. La prevención de incendios es una parte muy importante de cualquier programa de seguridad. La figura 1-14 ilustra algunos de los tipos comunes de extintores y sus aplicaciones. Los iconos que se encuentran en el extintor de incendios indican los tipos de disparar la unidad está diseñado para ser utilizado en.
Es importante saber donde están sus extintores se encuentran y cómo usarlos. En caso de una eléctrica fuego deben seguir los siguientes procedimientos: 1. Ponga la alarma de bomberos más cercana para alertar a todo el personal en el lugar de trabajo, así como a los bomberos. 2. Si es posible, desconecte la fuente de energía eléctrica. 3. Utilice un dióxido de carbono o polvo seco extintor de incendios para apagar el fuego.
A
C
• Los incendios de Clase A son aquellos alimentados por materiales que, cuando se queman, dejan residuos en forma de cenizas, tales como papel, madera, tela, caucho, y cierta plásticos. • Los incendios clase B incluyen líquidos y gases inflamables, tales como gasolina, diluyente de pintura, grasa de cocina, propano, y el acetileno. • Los incendios clase C incluyen cableado eléctrico energizado o equipos tales como motores y cajas de paneles. • Los incendios clase D implican metales combustibles tales como magnesio, titanio, circonio, sodio, y de potasio. PR UEBAS DE LABORATOR IA RECONOCIDOS NACIONALMENTE
El artículo 100 del NEC define los términos “marcados” y “Listado”, que son ambos relacionados con la evaluación del producto. Etiquetado o listado indica que el equipo eléctri co o material ha sido probado y evaluado para el propósito que está destinado a ser utilizado. productos que son lo suficientemente grande suelen ser etiquetados. La productos más pequeños son por lo general enlistados. Cualquier modificación de una pieza de equipo eléctrico en el campo puede anular la etiqueta o listado. De conformidad con las normas de seguridad de OSHA, una nacional Laboratorio de Pruebas Reconocido (NRTL) debe probar productos eléctricos de la conformidad a los códigos nacionales y normas antes de que puedan estar registrados o marcados. El mayor y más conocido laboratorio de pruebas es el bajo escritorios ‘ Laboratorios, identificados con el logotipo UL muestran en la figura 1-15. El propósito de los Laboratorios bajo escritores ‘ es establecer, mantener y operar laboratorios para la investigación de materiales, dispositivos, productos, equipamiento, la construcción, métodos, y sistemas con respecto a los riesgos que afectan a la vida y la propiedad.
B
D R
Figure 1-14 Types of fire extinguishers and their applications.
Figure 1-15
Underwriters’ Laboratories logo.
PART 2
Grounding—Lockout—Codes
11
ASOCIACIÓN NACIONAL DE FABR ICANTES ELÉCTR ICOS La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) es un grupo que define y recomienda la seguridad para equipos eléctricos. normas establecidas por NEMA ayudar a los usuarios en la selección adecuada de la industria equipo de control. Como un ejemplo, las normas NEMA proporcionan información práctica relativa a la calificación, las pruebas, rendimiento, y la fabricación de dispositivos de control de motores tales como cerramientos, contactores y arrancadores. COMISIÓN INTER NACIONAL DE ELECTROTEC NIA La Comisión Internacional de Electrotecnia (IEC) es un Organización con sede en Europa compuesta por comités nacionales de más de 60 países. Hay básicamente dos grandes normas mecánicas y eléctricas para motores: NEMA en América del Norte y IEC en la mayor parte del resto del mundo. Dimensionalmente, normas IEC se expresan en unidades métricas unidades. Aunque las normas NEMA y IEC utilizan diferentes unidades de medida y términos, que son esencialmente
similares en las calificaciones y, para la mayoría de aplicaciones comunes, son en gran medida intercambiables. Normas NEMA tienden a ser más conservadores lo que permi te más espacio para “el diseño interpretación “, como ha sido la práctica EE.UU.A la inversa, la norma IEC normas tienden a ser más específicos, más categorizado- algunos dicen más preciso-y diseñado con menos sobrecarga capacidad. A modo de ejemplo, un motor de arranque con clasificación NEMA se típicamente mayor que su contraparte IEC.
INSTITUTO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA IN-GENIEROS (IEEE) El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) es una asociación profesional técnica cuya principal objetivo es fomentar y establecer los avances técnicos y avances en los estándares eléctricos y electrónicos. IEEE es una autoridad líder en áreas técnicas. A través de su técnica normas editoriales, conferencias, y basada en el consenso actividades, el IEEE produce más del 30 por ciento de literatura publicada en el mundo en aparatos eléctricos y electrónicos ingeniería. Por ejemplo, IEEE 142 estándar proporciona todas la información que necesita para un buen diseño de puesta a tierra.
PART 2 Review Questions
1. Explicar cómo conectar a tierra el armazón de un motor pueden evitar que alguien reciba una descarga eléctrica. 2. Comparar los términos de puesta a tierra y unión. 3. ¿Cuál es la cantidad mínima de corriente de fuga a tierra requerido para disparar un interruptor de circuito por falla a tierra? 4. Enumere los siete pasos a seguir en un bloqueo / etiquetado procedimiento. 5. Un interruptor de desconexión es para ser tirado abierto como parte de un procedimiento de bloqueo. Explicar la manera segura de proceder.
6. ¿Cuál es el objetivo principal Código de la Nacional Eléctrica? 7. ¿Cómo son las normas contenidas en el N EC for zada? 8. Explique la diferencia entre un artículo y un Código Sección. 9. ¿Qué encontraron los iconos en la mayoría de los extintores indicar ? 10. ¿Cómo es un dispositivo eléctrico UL-etiquetados o que cotiza significar ? 11. Mencione tres dispositivos de control de motores que están clasificados por NEMA. 12. Comparar estándares motor IEC y NEMA
TROUBLESHOOTING SCENARIOS
1.
2.
12
The voltage between the frame of a 3-phase 208-V motor and a grounded metal pipe is measured and found to be 120-V. What does this indicate? Why? A ground-fault circuit interrupter does not provide overload protection. Why?
Chapter 1
Safety in the Workplace
3.
A listed piece of electrical equipment is not installed according to the manufacturer’s instructions. Discuss why this will void the listing.
4.
A hot stick is to be used to open a manually operated high-voltage disconnect switch. Why is it important to make certain that no loads are connected to the circuit when the switch is opened?
DISCUSSION TOPICS AND CRITICAL THINKING QUESTIONS
1.
2.
Worker A makes contact wit h a live wire and receives a mild shock. Worker B makes contact with the same live wire and receives a fatal shock. Discuss some of the reasons why this might occ ur. The victim of death by electrocution is found with his fist still clenched firmly around the live conductor he made contact with. What does this indicate?
3.
Why can birds safely rest on high-voltage power lines without getting shocked?
4.
You have been assigned the task of explaining the company lockout procedure to new employees. Outline what you would consider the most effective way of doing this.
5.
Visit the website of one of the groups involved with electrical codes and standards. Report on the service it provides.
DISCUSSION TOPICS Discussion Topics
13
Co omprensión de diagramas eléctricos
2
Se utilizan diferentes tipos de planos eléctricos en el trabajo con los motores y sus circuitos de control. Con el fin de facilitar la toma y la lectura planos eléctricos, ciertos símbolos estándar se utilizan. Para leer planos eléctricos del motor, es necesario conocer tanto el significado de los símbolos y la forma en que el equipo funcione. Este capítulo le ayudará a entender el uso de los símbolos de esquemas eléctricos. En el capítulo También explica la terminología del motor e ilustra con aplicaciones prácticas.
PARTE 1 Símbolos- diagr amas de escaler as. Sí mbolos de motes.
Un circuito de control del motor puede ser definido como un medio de suministro de potencia y eliminación de alimentación de un motor. Los símbolos usados representan diferentes componentes de un control de motor .
14
Objetivos de capitulo Objetivos del capitulo Este capítulo le ayudará a: 1. Reconocer los símbolos utilizados con frecuencia en diagramas de control y fuerza. 2. Leer y construir diagramas de escalera. 3. Leer el cableado de una sola línea, y los diagramas de bloques. 4. Familiarizarse con las terminales de conexiones para los diferentes tipos de motores. 5. Interpretar la información encontrada en la placa de identificación del motor. 6. Familiarizarse con la terminología utilizado en los circuitos del motor. 7. Comprender el funcionamiento de manual y arrancadores magnéticos.
El
uso de estos símbolos tiende a hacer diagramas de circuitos menos complicado y más fácil de leer y entender. En los sistemas de control de motor, los símbolos y líneas correspondientes de muestran cómo las partes de un circuito están conectados a uno otra. Por desgracia, no todos los componentes eléctricos y electrónicos símbolos están estandari zados. Se encuentra ligeramente símbolos diferentes utili zados por diferentes fabricantes. además, símbolos a veces parecen en nada a la realidad, por lo que usted tiene que aprender lo que significan los símbolos. Figura 2-1 muestra algunos de los símbolos que se usan en motores diagramas circuito.
REC
Rectificador
REV
Reversa
RH
Reostato
SSW
Interruptor
SEC
Secundario
1PH
Fase
Condiciones para los Motores
TD
unica Solenoide Interruptor Terminales de motor Tres fases Retraso de tiempo
TRANS
Transformador
Una abreviatura es la forma abreviada de una palabra o f ra se. Las letras mayúsculas se utili zan para la mayoría de las siglas. La siguiente es una lista de algunas de las abreviaturas comúnmente utilizado en los diagramas de circuito del motor.
AC ARM AUTO BKR COM CR CT DC DB FLD FWD GRD HP L1, L2, L3 LS MAN MTR M NEG NC NO OL PH PL POS PWR PRI PB
Corriente
Alterna Armadura Automatico Interruptor Comun Rele de control Transformador de Corriente Corriente directa Interruptor Dinamico Campo Adelante Tierra Caballos de Fuerza Conexiones de linea Interruptor de limite Manual Motor Motor Negativo Normalmente Cerrado Normalmente Abierto Rele de sobrecarga Fase Luz Piloto Positivo Poder Primario Push button
SOL SW T1, T2, T3 3PH
Diagramas
de seguridad
de escalera para motores
Los d ibujos
de control del motor proporcionan información sobre circuito funcionamiento, el dispositivo y la localización del equipo y el cableado instrucciones. Los símbolos utilizados para representar interruptores consisten de los puntos de unión (lugares donde los dispositivos se conectan a cada circuito otra), barras de contacto, y el símbolo específico que identifica ese tipo particular de interruptor, como se ilustra en la Figura 2-2. Aunque un dispositivo de control puede tener más de un conjunto de contactos, sólo los contactos utili zados en el cir-cuito son representados en los planos de control. Se utiliza una variedad de diagramas de control y dibujos de instalar, mantener y solucionar problemas de control motor sistemas. Estos incluyen diagramas de escalera, diagramas de ca bleado, diagramas de líneas y diagramas de bloques. Un “esquema de contactos” (considerado por algunos como una forma de un diagrama esquemático) se centra en el funcionamiento eléctrico de un circuito, no la ubicación física de un dispositivo. Por ejemplo, dos de parada de botones pueden estar físicamente en los extremos opuestos de un transportador largo, pero eléctricamente lado a lado en el diagrama de escalera. Diagramas Ladder, tales como la que se muestra en la Figura 2-3, se dibuja con dos líneas verticales y cualquier número de líneas hori zontales. Las líneas verticales (llamados carriles) se conectan a la fuente y el poder se identifica como la línea 1 (L1) y línea 2 (L2). Las líneas horizontales (llamados peldaños) están conectados entre L 1 y L2 y contienen los circuitos de control. Diagramas de escalera están diseñados para ser leído como un libro, comenzando en la parte superior i zquierda y de izquierda a derecha y arriba a abajo. Debido diagramas de escalera son más fáciles de leer, que a menudo son utilizado en el rastreo a través de la operación de un circuito. Más controladores lógicos programables (PLCs) utilizan el concepto de escalera de diagramas de base para su programación idioma. La mayoría de los diagramas de escalera ilustra dos unicamente se conecta a L1 y L2 en el diagrama de control PART 1
Symbols—Abbreviations—Ladder Diagrams
15
NEMA 1
Switch dos polos sin fusible
NEMA 3R
Switch de tres polos con fusible
Switch tres polos sin fusible
NEMA 4, NEMA 12 4X and 5 Stainless steel
(b) Interruptor de tres polos
(a) Disconnect switch
Rele termico de sobrecarga
Rele de estado solido de sobrecarga (c–d) Rele de sobre carga (OL)
Class R
Class G
(e–f) Fusibles
(g) Arrancador magnetico de tres polos
Boton pulsador momentaneo Normalmente abierto
H1
H3 H2
X2
Boton pulsador momentaneo Normalmente cerrado
H4
Boton pulsador combinado, normalmente abierto y normalmente cerrado.
X1 (h) Transformer de control
Baja corriente Alta corriente control control alambrado alambrado
Cruce de alambress sin conexion
(i) Boton pulsador
Cables conectados
conexion a tierra
Contacto normalmente abierto
(k) Electrical wires are represented by lines
Motor de tres fases
Bobina magnetica
(j) Luz piloto indicadora
Contacto normalmente cerradro
(l) Rele Electromecanicos
Motor de una fase (m) AC motores
Figura 2-1 Simbolos de control de motores.. Photos a–d, g: Este material y las marcas asociadas son propiedad de, y uusadas con la autorizacion de Schneider Electric; e–f: Cortesia de Cooper Bussmann, www.bussmann.com; h–j, l: Foto cortesia de Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com; m: © Baldor Electric Company. Reimpreso con su autorizacion. Photo Baldor, www.baldor.com.
16
Chapter 2
Understanding Electrical Drawings
Node points
Contact bar
Switch type (float)
Figura 2-2 Switch symbol component parts.
L1
L2
Emergency stop PB2
Start PB1
Rung 1
CR1 LS1 CR1-1
Stop
Rung 2
R CR1-2 Run
Rung 3
G CR1-3
Rung 4
M CR1-4
Figure 2-3
OL
Typical ladder diagram.
Control circuit Temperature switch
OL M
Fuse L1
con lineas que se intersectan sin puntos . Los conductores que hacen contacto están representados por un punto en el cruce. En la mayoría de los casos la tensión de control es obtenida directamente desde el circuito de potencia o de un transformador de control de paso hacia abajo conectado al circuito de potencia. El uso de un transformador permite una tensión más baja (120 V AC) para el circuito de control, mientras que el suministro delcircuito de potencia del motor trifasico es con una tensión más alta (480 V AC) para el funcionamiento del motor más eficiente. Un diagrama de escalera da la información necesaria para fácilitar el seguimiento de la secuencia de funcionamiento del circuito. Es una gran ayuda para la solución de problemas, ya que muestra de una forma sencilla el efecto que la apertura o el cierre de varios contactos tiene en otros dispositivos en el circuito. Todos los interruptores y relés se clasifican como normalmente abierto (NO) o normalmente cerrado (NC). Las posiciones dibujadas en los diagramas son las características eléctricas de cada dispositivo como serían encontrado cuando se leva y no está conectado en cualquier circuito. Esto se conoce como e “off-the-shelf” a veces o el estado sin corriente. Es importante entender esto ya que también puede representar la posición desenergizada en un circuito. La posición sin corriente se refiere a la posición del componente cuando se desactiva el circuito, o ningún poder está presente en el circuito. Este punto de referencia es a menudo utilizado como el punto de partida en el análisis de la operación del circuito. Un método común utilizado para identificar la bobina del relé y los contactos operados por este es colocar una letra o letras en el círculo que representa la bobina (Figura 2-5). A veces, cuando hay varios contactos operados por una bobina,
120 V
L2
Transformer
L1
M
CR
OL
T1
L1 T2
480 V L2 L3 Power circuit
Figure 2-4
L2
CR1
Motor
OL
T3 M1 CR2
Motor power and control circuit wiring. M3
OL
M1 M2
La figura 2-4 muestra ambos circuitos de control y fuerza. En los diagramas que incluyen circuitos de conexion de control y fuerza, puedes ver tanto lineas de conduccion pesadas y ligeras. Las lineas pesadas son us-adas para los circuitos de potencia de corriente alta y las lineas ligeras para los cicuitos de control de corriente baja. Los conductores que se cruzan entre si pero no hacen contacto electrico se representan
OL
M2 M3
CR—Control relay M1—Starter #1
M2—Starter #2 M3—Starter #3
Figura 2-5 Identificacion de bobinas y contactos asociados.
PART 1
Symbols—Abbreviations—Ladder Diagrams
17
se añad e un número a la letra para indicar el número de contacto. Aunque hay significados estándar de e stas letras, la mayoría de los diagramas proporcionan una lista de claves para mostrar el significado de las letras, por lo general se toman del nombr e del dispositivo . Una carga es u n compo nen te de l circuito qu e ti ene r esistencia y consume energía e léctrica suministrada desde L1 a L2. Bobinas de control, solenoides, bocinas, y luces pilotos son e jemplos de cargas. Al menos un dispositivo de carga de be ser incluido en cada uno peldaño del esquema de contactos. Sin un dispositivo de carga, el dispositivos de control se cambia de un circuito abierto a una cortocircuito entr e L1 y L2. Contactos de dispositivos de control tales como interruptor es, pulsador es y r elés son considerados que n o tienen r esistencia en e l e stado cerrado. La conexión de los contactos en paralelo con una carga también puede r esultar en un corto circuito cuando se cierra el contacto. La corriente de cortocircuito toma el cami no de menor r esist encia a través de la contacto cerrado. Normalmente las cargas se coloca n en el lado derecho del diagrama junto a L2 y co ntactos en el lado izquierdo junto a L1.Una excepción a esta regla es la colocació n de la contactos normalme nte cerrados co ntrolados por dispositivo de protección de sobrecarga del motor. Estos co ntactos se dibuja n a la derecha de la bobi na del arrancador del motor como se muestra en la Figura 2-6. Cuá ndo dos o más cargas se requiere n para ser energizados simultáneamente, deben ser conectados en paralelo. Esto asegurará que toda la te nsión de la línea de L1 y L2 aparecerá a través de cada carga. Si las cargas está n conectadas en serie, no recibira toda la te nsión de red necesaria para la operación adecuada. Recordemos que e n una conexión en serie de cargas la tensión aplicada se divide e ntre cada una de las cargas. En una conexión en paralelo de cargsa el voltaje a través de cada carga esl mismo y es igual e n valor a la tensión aplicada. Los dispositivos de co ntrol tales como interruptores, pulsadores, interruptores de limite y conmutadores de presión operan cargas. Dispositivos que abren u na carga suelen estar conectados en paralelo, mientras que los dispositivos que paran la carga están conectados en serie. L1
L2 120 V AC Stop
Start
120-V coil
OL
Starts in parallel Start L1
L2 Stops in series Stop
Stop
OL
Start
M1
Figura 2-7
Dispositivos de paro conectados en serie y dispositivos de encendido conectados en pl. Todo dispositivo de control se identifica con la nomenclatura adecuada para el dispositivo (por e jemplo, detener, iniciar). Del mismo modo, todas las cargas r equier en que tengan abr eviaturas para indicar e l tipo de carga (por e jemplo, M para la bobina de arranque). A menudo, un adicional sufijo numerico se utiliza para dif er enciar varios dispositivos del misma tipo. Por e jemplo, en un circuito de control con dos arrancador es de motor podrían identificarse a las bobinas como M1 (contactos 1-M1, M1-2, etc) y M2 (contactos 1-M2, M2-2, etc.). A me dida qu e la comple jid ad de u n circuito de control aumenta, su e squema de contactos aumenta de tamaño, por lo que es más difícil de leer y localizar los contactos que están controladas por que bobina. “Numeración Peldaño” se utiliza para ayudar en la lectura y la compr ensión de diagramas de escal era más grandes. Cada peldaño del diagrama de r elés e stá marcado (peldaño 1, 2, 3, e tc), comenzando con e l peldaño superior y leyendo hacia abajo. Un peldaño puede definirse como una ruta completa de L1 a L2 que contiene un cargar. La Figura 2-8 ilustra el marcado de cada peldaño en un diagrama de líneas con tr es peldaños distintos: •
•
La ruta para el peldaño 1 es completado a través del boton inversor,boton de inicio de ciclo, el interruptor de limite 1LS, y la bobina 1CR. La ruta del peldaño 2 es completado a través del botón de inversion, el relé 1CR-1, el interruptor final de carrera 1LS, y la bobina 1CR. Tenga en cuenta que elpeldaño 1 y son peldaño Cycle start
L1 Reverse
Loads in parallel R
Start M
M
M1
Stop
1LS
1 Rung numbers
120-V pilot light
L2
1CR
2 1CR-1 3 1CR-2
SOL A
Figura 2-6 Cargas situadas a la derecha y contactos a la izquierda.
18
Figura 2-8
Chapter 2
Understanding Electrical Drawings
Diagrama de escalera con peldaños numerados.
2 son identificados como dos peldaños se parados a pesar de que controlan la misma carga. La razón de esto es que
Algún tipo de “identificación de cables” tiene la obligació n de conectar corr ectamente los conductor es del circuito de control para sus compo nentes en el circuito. El método utilizado para identificación de alambres varía para cada fabricante. La figura 2-10 ilustra un método en el que cada punto común en el circuito se le asigna un número de r ef er encia:
o bien el botonn de arranque del ciclo 1CR-1 o el r elé completa la ruta de L1 a L2. •
La ruta para el peldaño 3 es completada cuando el rele 1CR-2 se pone en contacto con el solenoide SOL A.
“Cruce numerico referenziado”, se utiliza en conjunto con la numeración para localizar contactos auxiliares controlados por las bobinas en el circuito de control con peldaño. A veces los contactos auxiliares no están en estrecha proximidad en el diagrama de escalera a la bobina de control. Para localizar estos contactos, números de escalón se encuentran a la derecha de L2 en el parentesis en el peldaño de la bobina de control de su funcionamiento. En el ejemplo mostrado en la Figura 2-9: •
Los contactos de la bobina de 1CR aparecen en dos diferentes lugares en el diagrama de líneas.
•
Los números entre paréntesis a la derecha del diagrama de lineas identifican la ubicación de la línea y el tipo de contactos controlados por la bobina. Los números que aparecen entre paréntesis para contactos normalmente abiertos no tienen marcas especiales.
•
Los números utilizados para los contactos normalmente cerrados son identificado mediante subrayado o un número para distinguirlos de los contactos normalmente abiertos.
Reverse
1LS
1
1CR
(2, 3) Numerical cross references
2 1CR-1 3 1CR-2
SOL A
Figura 2-9 Sistema numerico de cruce ref .
Reverse 1 2
Continuar en la parte superior izquierda del diagrama con escalón 1, un nuevo número se designa de forma secuencial para cada uno de los alambr es que atraviesa un componente.
•
Los cables que son eléctricamente comunes están marcados con los mismos números.
•
Una vez que el primer cable dir ectam ente conectado a L2 esta designado (en este caso 5), todos los demás cables dir ectamente conectado a L2 se marcarán con el mismo número.
•
El n úm ero de componen te s en la prim era lí ne a del squema de contactos determina e l número de cables para conductor es conectados dir ectamente a L2.
Wire numbering
Cycle start
L1
•
La figura 2-11 ilustra un método alter nativo de asignacion de numeros. Con este método todos los cables dir ectamente conectado a L1 se designan 1, mientras que todos aquellos conectados a L2 se designan 2. Después de que todos los ca bles 1 y 2 están marcados, los números r estantes se asignan en un orden secuencial que empieza en la parte superior izquierda del diagrama. Este método tiene como ventaja el hecho de que todos los cables dir ectamente conectado a L2 siempr e son designados como 2. Los diagramas de escalera también pueden contener una serie de descripciones situada a la der echa de L2, que se utiliza para documentar la la función del circuito controlado por el dispositivo de salida. Una línea discontinua indica normalmente una conexión mecánica. No cometa el error de leer una línea que brada como una parte del circuito eléctrico. En la figura 2-12 las líneas verticales discontinuas indican que los contactos normalmente ce-
L2
Cycle start
La numeración comienza con todos los cables que están conectados al lado L1 de la fuente de alimentación identificada con el número 1.
e
•
L1
•
2
3
3
4
4
Rung 1
5 1CR
2
L2
1LS (2, 3)
3
Rung 2 1CR-1 1
6
6
5
Rung 3 1CR-2
Figura 2-10
SOL A
Cable numerado.
Photo courtesy Ideal Industries, www.idealindustries.com.
PART 1
Symbols—Abbreviations—Ladder Diagrams
19
5
6
1CR relay wiring 2 L1
L2
Cycle start
Reverse 1 3
1
1LS
3
4
4
5
5
2
Rung 1
1CR 3
(2, 3) Piston FWD CR
4
Rung 2
Documentation
1CR-1 1
6
6
2
Rung 3
Piston FWD SOL 1CR-2
Figura 2-11
SOL A
Identificacion de alambrado alternativa con documentacion.
L1
L2 Stop
FWD
REV
R
OL F
R F F
Figura 2-12
R
Repesentacion de f unciones mecanicas.
rrados y normalmente abiertos están mecánicamente conectados. Asi, al pulsar el botón se abrirá el con junto de contactos y cerraran el otro. La línea discontinua entr e F y R indica que los dos están enclavados mecánicamente. Por lo tanto, las bobinas F y R no puede c errar los contactos simultáneamente d e bido a la la acción de enclavami ento mecánico del dispositivo. Cuando se r equier e un transformador de control que una sus líneas secundarias a tierra, la conexión a tierra de be hacer-
se de modo que el circuito de control no arranque el motor o hacer que e l botón de parada sea inoperante. La figura 2-13a ilustra el s ecundario de un transformador de control de tierra al lado L2 del circuito. Cuando el circuito está en funcionamiento, la totalidad del circuito a la izquierda de la bobina M es el circuito sin conexión a tierra (que e s la pier na “caliente”). Si un camino falla a tierra en la conexión a tierra cr eará una condición de cortocircuito haciendo que el transformador de control fusione para abrir. La figura 2-13b muestra el mismo circuito conectado a tierra corr ectamente en L1. En este caso, una corto y fallo de tierra a la izquierda de la bobina M energizará la bobina, el arranque del motor sera de forma inesperada. El fusible no funcionara para abrir el circuito y pr esionando el botón STOP n o desenergizar la bobina M. Daños en el e quipo y lesiones personal serían muy probables. Claram ente, los dispositivos de salida de ben estar dir ectamente conectados a la tierra del circuito.
Control transformer
Control transformer
Fuse
L1
L2
Start Stop
OL
L1
Fuse
Stop
L2
Start
OL
M
M1
Ground fault M
M1 (a)
Figura 2-13
(b)
Conexion a tierra de un transformador: ( a ) transformador correctamente aterrizado a L2 en el circuito; ( b ) Transformador conectado incorrectamente a L1 en el circuito. Photo courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.
20
Chapter 2
Understanding Electrical Drawings
PART 1
Review Questions
1. Define what the term motor control circuit means. 2. Why are symbols used to represent components on electrical diagrams? 3. An electrical circuit contains three pilot lights. What acceptable symbol could be used to designate each light? 4. Describe the basic structure of an electrical ladder diagram schematic. 5. Lines are used to represent electrical wires on diagrams. a. How are wires that carry high current differentiated from those that carry low current? b. How are wires that cross but do not electrically connect differentiated from those that connect electrically? 6. The contacts of a pushbutton switch open when the button is pressed. What type of push button would this be classified as? Why?
PARTE 2 Cableado de una sola línea - diagramas bloque.
7. A relay coil labeled TR contains three contacts. What acceptable coding could be used to identify each of the contacts? 8. A rung on a ladder diagram requires that two loads, each rated for the full line voltage, be energized when a switch is closed. What connection of loads must be used? Why? 9. One requirement for a particular motor application is that six pressure switches be closed before the motor is allowed to operate. What connections of switches should be used? 10. The wire identification labels on several wires of an electrical panel are examined and found to have the same number. What does this mean? 11. A broken line representing a mechanical function on an electrical diagram is mistaken for a conductor and wired as such. What two types of problems could this result in?
L2
L3
T1
T2
T3
1, 2, or 3 OL contacts
T1 T2 T3
3
1
Diagramas de cableado Los diagramas de cableado se usan para mostrar punto a punto el cableado entr e los compo nentes de un sist ema eléctrico y a veces su r elación física entr e sí. Puede incluir números de identificación de alambr e asignados a conductor es en e l esquema de escalera o codificación de color. Bobinas, contactos, motor es, y similar es, se muestran en la r eal posición que se encuentra en una instalación. Estos diagramas son útiles en e l cableado de los sist emas, ya que las conexiones se pueden hacer exactam ente como apar ecen en el diagrama. Un diagrama de cableado da la información necesaria para la r ealizar el cableado de un dispositivo o grupo de dispositivos o la localización de cables físicamente para la solución de problemas. Sin embargo, es difícil determinar el funcionamiento del circuito de este tipo de diagrama. Diagramas de cableado se proporcionan la mayoría de los. La figura 2-14 muestra un diagrama de cableado típico pro porcionado por un motor de arranque. El diagrama muestra como la posible ubicació n r eal de todas las partes componentes del dispositivo. Las terminales abiertas (marcadas por un círculo abierto) y las flechas r e pr esentan las conexiones r ealizada por el usuario.
L1
2
Alarm if supplied A
A OL
Motor
Figure 2-14
Typical motor starter wiring diagram.
This material and associated copyrights are proprietary to, and used with the permission of Schneider Electric.
PART 2
Wiring—Single Line—Block Diagrams
21
L1
Magnetic starter
H1
H2 H3 X2
H4
L2
3 M
X1
2
T1 3 1
L3
T2
T3
2
C2
C1 Start
C2
3 1
2
C1
T1 T2 T3
Pump motor
Stop Pushbutton station
Figure 2-15
Routing of wires in cables and conduits.
Photo courtesy Ideal Industries, www.idealindustries.com.
Tenga en cuenta que líneas en negrita denotan e l circuito de fuerza, y las líneas más delgadas se utilizan para mostrar el circuito de control.
Magnetic starter
La ruta de los cables y canalización, como lo muestra la figura 2-15 es una importante parte de un diagrama de cableado. Un 3 1 2 diagrama canalización indica el inicio y el fin de los conductos eléctricos y muestra el camino aproximado tomado por cualqui er ducto de un punto a otro. Integrado con un dibujo de e sta n aturaleza el cableado y canalización son listados, el cual tabula C2 cada ducto con el número, tamaño, función y servicio, también incluye el número y el tamaño de los cables que van la tubería.
L1
L2
L3
T1
T2
T3
C1 Start 3 1
T1 T2
Pump
C2 C1 Los diagramas de cableado muestran los detalles de las conexmotor 2 T3 iones r eales. Pocas veces muestran los detalles completos del Stop panel o e l cableado del equipo. El diagrama de cableado de la Pushbutton station Figura 2-15, es r educido a una forma más simple, se muestra en la Figura 2-16 omitiendo las conexiones inter nas del arrancador Figure 2-16 Wiring with the internal connections of the magnético. Los cables dentro de los ductos C1 son parte del magnetic starter omitted. circuito de fuerza y el tamaño adecuado para el r equisito actual del motor. Los cables dentro del ducto C2 son parte del circuito Los diagramas de cableado se utilizan a menudo en combinación de control de baja tensión y dimensionado para la corriente del con diagramas de escalera para simplificar la compr ensión del proceso de control. Un e jemplo se ilustra en la figura 2-17. El transformador de control. diagrama de cableado muestra tanto el circuito de fuerza como el circuito de control. Un diagrama se parado de escalera del circuito de control está incluido para dar una idea más clara de su funcionamiento.
22
Chapter 2
Understanding Electrical Drawings
Wiring diagram
Supply
L1
L2
Feeder disconnecting means
L3
Feeder overcurrent protection 1 2
Pilot light
Splitter
M
R
Motor branch circuit disconnecting means
3
Motor branch circuit overcurrent protection
Start OL
Motor branch circuit conductors Motor starter disconnecting means
Stop
OL
Remote control
T1
Motor starter Motor overload protection Under-voltage protection
T2
T3
Motor Motor disconnecting means Ladder control diagram L1 Stop
OL M 2
3 M
Figure 2-17
Motor overheating protection
L2
Start
Figure 2-18
Single-line diagram of a motor installation.
R Pilot light
Combination wiring and ladder diagram.
Circuit breaker Main transformer bank
El siguiente diagrama de escalera se puede ver que la lu z piloto está conectada y enciende cada vez que se enciende el motor. El diagrama de fuer za se ha omitido por la facilidad del circuito, ya que es fácil de rastrear en el diagrama de ca bleado (líneas gruesas).
Distribution center
Diagramas Unif ilares Un diagrama unifilar (también llamado de una línea) utili za símbolos con una sola línea para mostrar todos los com ponentes principales de un circuito eléctrico. Algunos fabricantes de equipos de control para motores utili zan diagramas unifilares, como la que se muestra en la Figura 2-18, como un mapa de camino en el estudio de instalación de un control de motores. La instalación se reduce a la forma más simple, sin embargo, todavía se muestran los requisitos esenciales y el material en el circuito. Los sistemas de energía son redes extremadamente complicadas que pueden estar geográficamente repartidas en áreas muy grandes. En su mayor parte, que también son redes trifásicas, cada circuito de fuer za consta de tres conductores y todos los dispositivos tales como generadores, transformadores, interruptores, y desconectadores, etc. están instalados en tres fases.
Fused switches Line starters
Lighting transformers
Motor
Figure 2-19
Motor
Motor
Motor
Single-line diagram of a power distribution
system. Estos
sistemas pueden ser tan complejos que un diagrama convencional mostrando todas las conexiones es poco práctico. Cuando este es el caso, el uso de un diagrama de una línea es una forma concisa de comunicación al componente del sistema de potencia. La Figura 2-19 muestra un diagrama de una sola línea de un sistema de distribución. Estos tipos de diagramas son también llamados “ power-riser ” . PART 2
Wiring—Single Line—Block Diagrams
23
Diagramas de bloques Un diagrama de bloques representa las principales partes funcionales de sistemas eléctricos /electrónicos complejos por bloques en vez de símbolos. Los componentes individuales y los cables no se m uestran. En cambio, cada bloque representa los circuitos eléctricos que cumplen funciones específicas en el sistema. Las funciones que realizan los circuitos están escritos en cada bloque. Las flechas que conectan los bloques indican la dirección general de la corriente. La figura 2-20 muestra un diagrama de bloques de un variDC Rectifier Inverter Motor ador de frecuencia para motores de CA. Un variador de fre3-phase 3-phase cuencia controla la velocidad de un motor de CA mediante la 60-Hz variable variación de la frecuencia suministrada al motor. La unidad AC input voltage/frequency AC output también regula la tensión de salida en relación a la frecuencia de salida para proporcionar una relación constante ( Voltios por Figure 2-20 Block diagram of a variable-frequency AC drive. Hertz; V / Hz) de tensión a frecuencia, como sea requerido Photo courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com. por el motor de corriente alterna para producir un adecuado par de torsión. La función de cada bloque se resume como sigue: • El Bloque rectificador es un circuito que convierte o rectifi• 60-Hz Trifásicos son suministrados al bloque del rectifica la tensión trifásica en ten-sión de DC. cador. • El Bloque inversor es un circuito que invierte, o convierte, voltaje de entrada de DC tensión alterna. El inversor se compone de interruptores electrónicos, que cambian el voltaje DC inter-mitente para producir una salida controlable de alimentación de CA en la frecuencia y la tensión deseada.
PART 2
Review Questions
1. What is the main purpose of a wiring diagram? 2. In addition to numbers, what other method can be used to identify wires on a wiring diagram? 3. What role can a wiring diagram play in the troubleshooting of a motor control circuit? 4. List the pieces of information most likely to be found in the conduit and cable schedule for a motor installation.
5. Explain the purpose of using a motor wiring diagram in conjunction with a ladder diagram of the control circuit. 6. What is the main purpose of a single-line diagram? 7. What is the main purpose of a block diagram? 8. Explain the function of the rectifier and inverter blocks of a variable-frequency AC drive.
PARTE 3 Cone
Las industrias dejarían de funcionar sin el apropiado diseño, instalación y mantenimiento de un sistema de control. En general, los motores están clasificados de acuerdo con el tipo de corriente utilizada (AC o DC) y el motor de principio de funcionamiento. El “árbol genealógico” de los tipos de motor es bastante extenso, como se muestra en la parte superior de la página siguiente.
iones de Motor
x
Clasif icación de los motores. Los motores eléctricos han sido un elemento im-portante de nuestra economía industrial y comercial desde hace más de un siglo. La mayoría de las máquinas industriales usadas en la actualidad son impulsadas por motores eléctricos.
24
Chapter 2
Understanding Electrical Drawings
DC Motores
Imán permanen te Devanado Serie Devanado Shunt Devanado Compuesto
Universal
Monofásico
Jaula de Ardilla
Fase partida Arranque con Capacitor Fase partida con Ca pacitor Arranque con polos de Sombra
Rotor devanado
Repulsión Arranque-Repulsion Repulsion Inducción
Inducción
Histeresis Reluctancia Imán Permanente
Síncrono AC Motores Rotor devanado
Induction
Design A Design B Design C Design D Design F
Jaula de ardilla
Polifásicos
Síncronos
En Estados Unidos, el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), establece las normas para pruebas de motor y metodologías de prueba, mientras que la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) prepara las normas para el rendimiento del motor y las clasificaciones. Además, los motores se instalarán de acuerdo con Artículo 430 del Código Eléctrico Nacional (NEC).
Shunt field F1
F2 Series field
S1
S2 Armature Arm.
A1
Conexiones
A2
del Motor DC
Aplicaciones industriales utilizan motores de DC debido a la relación par- velocidad pueden variar fácilmente. Los motores de DC en velocidad, pueden ser controlados sin problemas a velocidad cero, seguido inmediatamente por una aceleración en la dirección opuesta. En situaciones de emergencia, motores de corriente continua pueden proporcionar un torque de hasta cinco veces sin pérdidas. El frenado dinámico (la energía generada por el motor DC se alimenta a una rejilla de resistores) o frenado regenerativo (la energía generada por el motor DC es retroalimentado) se puede obtener con motores de corriente continua en aplicaciones que requieren paradas rápidas, eliminando así la necesidad de un freno mecánico. La figura 2-21 muestra los símbolos que se utilizan para identificar las partes básicas de un motor compuesto de corriente directa ( DC).
Figure 2-21
Parts of a DC compound motor.
Photo © Baldor Electric Company. Reprinted with their permission. Photo Baldor, www.baldor.com.
La parte giratoria del motor se conoce como la armadura; la parte estacionaria del motor se conoce como el estator, que contiene el devanado de campo en serie y en derivación. En máquinas de DC A1 y A2 siempre indican los conductores de inducido, S1 y S 2 indican el devanado enserie lleva, Fl y F 2 indica el campo en derivación. Es el tipo de excitación de campo que distingue un motor de corriente continua de otro, la construcción de la armadura no tiene nada que ver con la clasificación del motor. Hay tres tipos generales de motores de CD, clasificados de acuerdo con el devanado de excitación de la siguiente manera: PART 3
Motor Terminal Connections
25
Motor en Derivación (Figura2-22) utiliza un devanado de campo de alta resistencia, formado de muchas vueltas de alambre fino, conectado en paralelo (Shunt) con la armadura. Motor en Serie (Figura2-23) utiliza un devanado de campo en serie, compuesto por muy pocas vueltas de alambre grueso, conectado en serie con el inducido.
L2
Motor DC Compuesto (Figura2-24) utiliza una combinación de campo shunt (muchas vueltas de alambre fino) en paralelo con el campo inducido, y en serie (pocas vueltas de alambre grueso) en serie con el inducido.
L1
Counterclockwise Line 1
Line 2
Line 1
Line 2
F1-A1
F2-A2
F1-A2
F2-A1
F1
Todas las conexiones se muestran en las figuras 2-22, 2-23 y 2-24 para un giro a la izquierda y hacia la derecha de frente al extremo opuesto de la unidad (conmutador final).
Clockwise
F2
A1
L1
A2
A
F1
L2
A2
L1
Figure 2-22
F2
A
A1
L2
Standard DC shunt motor connections for counterclockwise and clockwise rotation.
L2
L1
Counterclockwise
Clockwise
Line 1
Tie
Line 2
Line 1
Tie
Line 2
A1
A2-S1
S2
A2
A1-S1
S2
A1
L1
A
A2
S1
S2
L2
A2
L1
A
A1
S1
S2
L2
Figure 2-23
Standard DC series motor connections for counterclockwise and clockwise rotation.
L2
L1
Counterclockwise Line 1
Tie
Line 2
Line 1
Tie
Line 2
F1-A1
A2-S1
F2-S2
F1-A2
A1-S1
S2-F2
F1
L1
Clockwise
A1
F2
A
A2
S1
S2
F1
L2
L1
A2
F2
A
A1
S1
S2
L2
Figure 2-24 Standard DC compound (cumulative) motor connections for counterclockwise and clockwise rotation. For differential compound connection, reverse S1 and S2.
26
Chapter 2
Understanding Electrical Drawings
Uno de los propósitos de marcar las terminales de los motores de acuerdo a estándares, es para ayudar en las conexiones cuando se requiere una dirección de rotación predecible. Este puede ser el caso cuando la rotación incorrecta pueda resultar en situaciones de peligro o daños. Marcar terminales se utiliza normalmente para etiquetar sólo los terminales de las conexiones que deben realizarse desde circuitos externos. El sentido de giro de un motor de DC depende de la dirección del campo magnético y la dirección de la corriente en la armadura. Si la dirección del campo o la dirección del flujo de corriente a través de la armadura se invierten, la rotación del motor se invertirá. Sin em bargo, si ambos de estos factores se invierten al mismo tiempo, el motor continuará girando en la misma dirección.
Enclosure Stator
Rotor
Figure 2-25
Three-phase squirrel-cage AC induction motor.
Drawing courtesy Siemens, www.siemens.com. Conexiones
del Motor AC
El motor de inducción AC es la tecnología dominante de uso hoy en día, lo que representa más del 90 por ciento de motores instalados. Los motores de inducción están disp onibles en configuraciones monofásicas (1) y trifásicos (3), en tamaños que van desde fracciones de HP a decenas de miles de HP. Pueden girar a velocidades de más de 900, 1.200, 1.800 o 3.600 rpm, o equipado con una unidad de velocidad ajustable. Los motores de corriente alterna más comúnmente utilizados son los de jaula de ardilla (Figura 2-25), llamado así debido al aluminio o cobre de jaula de ardilla incrustada dentro del hierro laminado del rotor. No conexión física eléctrica a la jaula de ardilla. La corriente en el rotor es inducida por el campo magnético giratorio del estator.
Modelos de rotor bobinado, en el que las bobinas de alambre están devanadas en el rotor, también están disponibles. Estos son caros, pero ofrecen un mayor control de las características de rendimiento del motor, por lo que se utilizan con mayor frecuencia para un par especial, aplicaciones aceleración y para aplicaciones de velocidad ajustable. Conexiones de motor monofásico La mayoría de los motores monofásicos de inducción CA son construidos en tamaños de potencia fraccionaria de 120V a 240V, a una frecuencia de 60 Hz. Aunque hay varios tipos de los motores monofásicos que son básicamente idénticos, excepto los de fase partida. El “motor de fase partida” es ampliamente utilizado para arranque de aplicaciones medianas (Figura 2-26). La operación del motor de fase partida se resume como sigue: • El motor tiene un devanado principal de arranque que se activa cuando se inicia el motor.
Split-phase motor
Motor stator
Squirrel-cage rotor Main winding Starting winding
Closed on start T1 Rotor
T1
Centrifugal switch
Motor Starting winding
Main winding
T2 Opens on run
Figure 2-26
T2
Symbol
Internal wiring diagram
AC split-phase induction motor.
Photo courtesy Grainger, www.grainger.com.
PART 3
Motor Terminal Connections
27
Typical nameplate connection diagram 120 V
240 V
T5
T6
T3
T2
T5
T3
T4
T1
T2
T1
T6
L1
L2
L1
L2
T4
For reverse rotation interchange T5 and T6
Low-voltage connection
High-voltage connection
L1
L1 Centrifugal switch
Running winding 120 V
R
Starting winding
L2
240 V
R
L2
Figure 2-27
Dual-voltage split-phase motor stator connections.
• El devanado de fase partida produce una diferencia de fase para arrancar el motor y se desconecta mediante un interruptor centrífugo mientras se alcanza la velocidad. Cuando el motor alcanza aproximadamente el 75% de su velocidad nominal a plena carga, el devanado de arranque se desconecta del circuito .
Para invertir el sentido de giro de un motor de fase partida de doble voltaje, se intercambian los dos cables del devanado de arranque. Los motores de doble voltaje están conectados a la tensión deseada siguiendo el esquema de conexiones de la placa.
• Los tamaños del motor de fase partida llegan alrededor de ½ caballo de fuerza . Las aplicaciones más populares incluyen ventiladores, sopladores, aparatos electrodomésticos tales como lavadoras y secadoras, y herramientas como pequeñas sierras o taladros, en donde la carga se aplica después de que el motor se haya obtenido su velocidad nominal.
El voltaje nominal del motor de fase partida nominal es 120/240 V. Para cualquier tipo de motor de doble voltaje, es preferible elegir la mayor tensión cuando la elección entre las tensiones es disponible. El motor utiliza la misma cantidad de energía y produce la misma cantidad de caballos de fuerza cuando opera desde un suministro de 120 V o 240 V. Sin embargo, como el voltaje se duplica de 120 V a 240 V, la corriente se reduce a la mitad. Trabajando al motor en este nivel reducido permite utilizar conductores más pequeños en el circuito y reduce las pérdidas de potencia de línea.
• El motor puede ser revertido mediante la inversión de los cables del devanado de arranque o devanado principal, pero no a ambos. En general, el estándar es invertir el devanado de arranque. En un motor de fase partida de doble voltaje (Figura 2-27), el devanado de trabajo se divide en dos secciones y pueden ser conectados para operar desde una fuente de 120 V o 240 V . Los devanados de ejecución están conectados en serie cuando se opera desde una fuente de 240 V, y en paralelo para la operación a 120 V . El devanado de arranque está conectado a través de las líneas de suministro de baja tensión y en una línea con el punto medio de los bobinados de alto voltaje. Esto asegura que todos los devanados están diseñados para funcionar a 120 V.
28
Chapter 2
Understanding Electrical Drawings
Muchos motores monofásicos utilizan un condensador en serie con un devanado del estator para optimizar la diferencia de fase entre devanados de arranque y devanados de trabajo. El resultado es un par de arranque más elevado que un motor de fase partida. Hay tres tipos de motores con capacitor: Capacitor de arranque, en la que la fase de condensador está en el circuito durante el arranque; capacitor de división permanente, en el que las fases de los condensadores en el circuito arranca el motor, y condensador de dos valores, en el que existen diferentes valores de capacitancia para iniciar y trabajo. El motor de capacitor permanente, ilustrado en la Figura 2-28, utiliza un condensador conectado permanentemente en serie con uno de los devanados del estator. Este diseño es de más bajo costo que los motores de arranque por capacitor que incorporan sistemas de conmutación de condensadores.
Capacitor L1
Rotor
L2
Figure 2-28
T1
T3
Permanent-split capacitor motor.
Photo © Baldor Electric Company. Reprinted with their permission. Photo Baldor, www.baldor.com.
Las instalaciones incluyen compresores, bombas, máquinas herramientas, aires acondicionados, ventiladores, cintas transportadoras, ventiladores, y otras aplicaciones de difícil arranque. CONEXIÓN DE
T2
MOTORES TRIFÁSICOS.
El motor trifásico de inducción de CA es motor más usado en aplicaciones comerciales e industriales. Los motores de mayor potencia monofásicos normalmente no son utilizados porque son ineficientes en comparación con motores trifásicos. Además, los motores monofásicos no son auto-arrancables en sus devanados de trabajo, como son los motores trifásicos. Motores de CA de gran potencia son generalmente de trifásicos. Todos los motores trifásicos están construidos internamente con un número de bobinas enrolladas individualmente. Independientemente de la forma de las bobinas, las bobinas individuales siempre se conectan entre sí (serie o paralelo) para producir tres devanados distintos, que se conocen como fase A, fase B y fase C. Todos los motores trifásicos están conectados de manera que las fases están configurados en estrella (Y) o delta (), como se ilustra en la figura 2-29.
Motor Symbol T1 T2
Phase A
Phase B
T3
Phase C
Wye (Y) configuration
Figure 2-29
Phase C T1 T2 T3
Phase B
Phase A
Delta () configuration
Three-phase wye and delta motor connections.
Photo courtesy Leeson, www.leeson.com.
CONEXIONE S DE
MOTOR MULTIVELOCIDAD
Algunos motores trifásicos, conocidos como motores multivelocidad, están diseñados para proporcionar dos gamas de velocidad separada. La velocidad de un motor de inducción depende del número de polos construidos en el motor y la frecuencia de la energía eléctrica suministrada. Cambiar del número de polos proCONEXIONES DE MOTOR DE DOBLE VOLTAJE porciona velocidades específicas que se corresponden con el número de polos seleccionados. Más polos por fase, más lenta Es común la fabricación de motores trifásicos que pueden conec- será la velocidad de funcionamiento del motor. tarse para funcionar a diferentes niveles de voltaje. La clasificación de tensión más común para motores trifásico es 208/230/460 V. RPM= 120 x ( Frecuencia/ N Polos) Compruebe siempre las especificaciones de la placa de datos del motor o la clasificación de voltaje y diagrama de cableado para la Los motores de dos velocidades con bobinados individuales conexión a la fuente de alimentación. pueden ser reconectados, utilizando un controlador, para obtener La Figura 2-30 ilustra la tabla típica de conexiones de terminales e identificación para nueve cables, para conectar un motor diferentes velocidades. El controlador de circuitos sirve para trifásico. Un extremo de cada fase está internamente conectado de cambiar las conexiones de los devanados del estator. Estos moforma permanente a las otras fases. Cada bobina de fase (A, B, C) tores son bobinados para una velocidad pero cuando la bobina se se divide en dos partes iguales y conectadas según sea el caso: en vuelve a conectar, el número de polos magnéticos dentro del estaserie para alto voltaje y en paralelo para operación en bajo voltaje. tor se duplica y la velocidad del motor se reduce a la mitad de la Según la Nomenclatura NEMA, estos cables están marcados de velocidad original. Este tipo de conexión no debe ser confunT1 a T9. Las conexiones de alta tensión y baja tensión son dadas dida con la reconexión de motores trifásicos de doble voltaje. en la tabla de conexiones y en la placa de datos. En el caso de varias velocidades, los resultados de re-conexión El mismo principio ya sea en serie (alta tensión) o paralelo resultan en diferentes números de polos magnéticos. Hay tres (baja tensión) se aplica para los bobinados en estrella y delta de tipos de devanado para motores de dos velocidades: caballos de motores trifásicos. En cualquiera de los casos, asegurar una fuerza constantes, par constante, y par variable. conexión adecuada para el nivel de tensión deseado.
PART 3
Motor Terminal Connections
29
T1
A T4 Connection table
T7 A T9
C
T6
Voltage
L1
L2
L3
Tie together
Low
1-7
2-8
3-9
4-5-6
High
1
2
3
4-7, 5-8, 6-9
T8
B
T5
C
B
T3
T2
T6
T5
T4
T6
T5
T4
T9
T8
T7
T9
T8
T7
T3
T2
T1
T3
T2
T1
L3
L2
L1
L3
High-voltage connections
High-voltage Wye connection
Figure 2-30
L2
L1
Low-voltage connections
Low-voltage Wye connection
Dual-voltage wye connections. T4
1
Stop
High
Low 5
H
L
High 3
L
H
4
OL OL
L
T3
2
T1
H
L1 T5
T6 T2
L2 L3
Motor windings
Speed
Line wires
Tie together
T1-T2-T3
T4-T5-T6
2-parallel Y
High
T4-T5-T6
–––––––
Series
H
H
H
OL
OL
OL
OL
OL
OL
L
L
T2
T3
T6
T4
T5
Typical controller wiring diagram
Constant-horsepower two-speed, three-phase motor and controller.
La figura 2-31 muestra las conexiones para caballos de fuerza constantes de un motor trifásico de dos velocidades y el controlador. Para invertir la dirección de rotación de cualquier motor trifásico ya sea en estrella o delta, simplemente intercambie dos de los tres cables de alimentación principal al motor.
Chapter 2
L
T1
Connection table
30
L
Winding connection
Low
Figure 2-31
L
Understanding Electrical Drawings
Un estándar en la práctica es intercambiar L1 y L3, como se ilustra en la Figura 2-32. Cuando se conecta un motor, la dirección de rotación es por lo general desconocida hasta que se inicie el motor. En este caso, el motor puede estar conectado temporalmente para determinar la dirección de giro antes de hacer conexiones permanentes.
Reverse L2 L1 L3
T2 T1
L2 Motor
T3
L1 L3
T2 T1
Motor
T3
Forward
Figure 2-32
Reversing the direction of rotation of a three-
phase motor. En ciertas aplicaciones una inversión del giro del motor puede causar daños graves. Cuando este es el caso, relés de fallo de fase y relés de inversión de fase, se utilizan para proteger motores, máquinas y el personal de peligros de las condiciones de fase abierta o de fase inversa. La velocidad de un motor de inducción AC depende de dos factores: el número de polos del motor y la frecuencia de la tensión aplicada.
Figure 2-33
En los variadores de frecuencia, la velocidad variable de un motor de inducción se logra mediante la variación de la frecuencia de la tensión aplicada al motor. Cuanto menor sea la frecuencia, más lento es el número de revoluciones de funcionamiento del motor. Motores de inducción estándar pueden afectados cuando son operados por variadores de frecuencia. “Inversor de Trabajo” e “Inversor de Vector” describe una clase de motores que son capaces de la operación de un controlador de frecuencia variable. Con el aumento de temperatura en este tipo de motores se emplean mejores sistemas de aislamiento, material adicional (hierro y cobre), o ventiladores externos para una mejor refrigeración en funcionamiento a baja velocidad. Un tipo de inversor de motor se muestra en la figura 2-33. Parte de este diseño particular incluye un ventilador de refrigeración independiente para enfriar el motor de manera que se puede operar en un amplio rango de velocidades sin ningún problema de calentamiento.
Inverter duty motor.
Courtesy Adlee Powertronic, Ltd., www.adlee.com.
PART 3
Review Questions
1. In what two general ways are motors classified? 2. List three major organizations involved with motor standards and installation requirements in the United States. 3. What two DC motor operating features make them useful for industrial applications? 4. What part of a DC motor is identified by each of the following lead designations? a. A1 and A2 b. S1 and S2 c. F1 and F2
5. List the three general types of DC motors. 6. What two factors determine the direction of rotation of a DC motor? 7. In what phase configurations are AC induction motors available? 8. What terms are used to identify the rotating and stationary parts of an AC induction motor? 9. Describe the construction of and external electrical connection to the squirrel-cage rotor used in AC induction motors.
PART 3
Motor Terminal Connections
31
10. Outline the starting sequence of a split-phase motor. 11. Assume the direction of rotation of a split-phase motor needs to be reversed. How is this done? 12. A dual-voltage split-phase motor is to be connected for the lower voltage. What connection of the two run windings would be used? 13. You have the option of operating a dual-voltage motor at either the high or the low voltage level. What are the advantages of operating it at the high voltage level? 14. What is the main advantage of the capacitor motor over the standard split-phase type? 15. How are the three distinct windings of a three-phase motor identified? 16. Large horsepower AC motors are usually threephase. Why?
17. What two basic configurations are used for the connection of all three-phase motors? 18. According to NEMA nomenclature, how are the leads of a nine-lead dual-voltage three-phase motor labeled? 19. State the relationship between the speed of a threephase induction motor and the number of poles per phase. 20. Assume the direction of rotation of a three-phase motor needs to be reversed. How is this done? 21. State the relationship between the speed of a threephase induction motor and the frequency of the power source. 22. Why should inverter-duty AC induction motors be used in conjunction with variable-frequency motor drives?
PAR TE 4 PLACA DE DATOS Y TER MINOLOGÍA La placa de datos (Figura 2-34) contiene información importante acerca de la conexión utilizada para el motor. Un importante parte de en la fabricación de motores intercambiables es asegurar 1ue la información de la placa de datos es común entre los fabricantes. INFOR MACIÓN DE LA
PLACA R EQUER IDA NEC
Manufacturer
AC Motor Thermally Protected
Type
FABR ICANTE DE MOTOR Esto incluirá el nombre y logotipo del fabricante junto con los números de catálogo, números de piezas y modelos números utilizados para identificar un motor. Cada fabricante utiliza un sistema único de codificación.
Style
Serial
Frame
Type
HP RPM Cycles
NIVEL DE TENSIÓN
Volts
Ph
Housing Service Factor S.F. Amps
El nivel de tensión se abrevia V en la placa de datos de un motor. Amps Code Se indica la tensión a la cual el motor está diseñado para operar. Deg C Hours Rise La tensión de un motor suele estar determinada por el suministro a la que se conecta. NEMA exige que el motor sea capaz de llegar a su potencia nominal y voltaje nominal ± 10 porciento, aunque no necesariamente en aumento de la temperatura nominal. Por lo Figure 2-34 Typical motor nameplate. tanto, un motor con tensión nominal de 460 V debe operar con Tensiones estándar NEMA para motor es: éxito entre 414 V y 506 V. M otores mono fá sicos: 115, 230, 115/230, 277, 460, y 230/460 La tensión puede ser una sola clasificación como 115 V o, para V motores de doble voltaje, una clasificación dual como 115 V/230 M otores tr ifá sicos hasta 125 HP : 208, 230, 460, 230/460, 575, V. La mayoría de los motores 115/230-V son enviados desde la 2300, y 4000 V fábrica a 230 V. Un motor conectado a 230V que está conectado M otores tr ifá sicos por encima de 125 HP: 460, 575, 2300, y para 115 V inmediatamente se quemará. Un motor que está conec- 4,000 V tado para 230 V que se le aplica 115 V trabajará a baja velocidad y se calentará. Cuando se trata de motor es, es importante distinguir entr e la tensión nominal y las tensiones de la placa de datos.
32
Chapter 2
Understanding Electrical Drawings
Diferencia entre los datos de placa y la tensión nominal :
Nominal system voltage
Nameplate voltage
120 V
115 V
208 V
200 V
240 V
230 V
480 V
460 V
600 V
575 V
2,400 V
2,300 V
4,160 V
4,000 V
6,900 V
6,600 V
VALOR DE CORR IENTE El valor de corriente en la placa de datos del motor se a brevia A o AMPS. El valor de corriente en la placa de datos es el valor de corriente a nominal, tensión nominal y la frecuencia nominal. Los motores no son diseñados par a corriente nominal menor al dato de la placa. Del mismo modo, los motores que están diseñados par a tr a ba jar por encima de la corriente nominal especificada en la placa de datos. Los motores que oper an a doble volta je también tienen dos niveles de corriente. Un motor de doble volta je que oper a a alto volta je tendrá una corriente ba ja. Por ejemplo, un motor de ½ hp a 115/230 V y 7.4/3.7 A tendrá una corriente nominal de 3,7 A cuando se oper a a 230 V.
FR ECUENCIA DE LINEA El valor de la frecuencia de línea de un motor se a brevia en la placa de datos como CY o CYC (ciclo), o Hz (Herz). Un ciclo es una onda completa de la corriente alterna o tensión. Hertz es la unidad de frecuencia y es igual al número de ciclos por segundo. En los Estados Unidos, 60 ciclos / segundo (Hz) es el estándar, mientr as que 50 Hz (ciclos) es más común.
POR FASE La calificación de la f ase de un motor se a brevia en la placa de car acterísticas como PH. La f ase a parece como corriente continua (DC), corriente alterna monofásica (1AC) o corriente alterna trifásica (3AC).
AMBIENTE El rango de temperatura ambiente de un motor es abreviado como AMD o DEG en la placa de datos de un motor. La tem peratura ambiente la temperatura del aire alrededor el motor. En general, la temperatura ambiente máxima para los motores es 40 °C o 104 °F a menos que el motor este específicamente diseñado para una temperatura diferente, se indica en su placa de datos. TEMPERATURA
Los motores funcionando a plena carga o cerca de la plena carga presentarán reducción de la vida en caso de operar a temperaturas ambiente por encima de su diseño. Si la temperatura ambiente es superior a 104 °F, un motor de alta potencia o un motor especial debe ser utilizado para operación a tem peraturas más elevadas. AUMENTO DE TEMPERATURA El Aumento de la temperatura admisible en un motor se abrevia Deg.C/Rise en la placa de datos. Esto indica que la tem peratura del devanado del motor, se incrementará por encima de la temperatura ambiente debido a la corriente del motor a plena carga. También puede indicar el valor, en el cual un motor puede operar a temperaturas altas. AISLAMIENTO El aislamiento del motor impide que los devanados se cortocircuiten uno a otro o tengan contacto con el estator. El tipo de aislamiento utilizado en un motor depende de la tem peratura a la cual vaya a operar el motor. En tanto incremente la temperatura del motor más allá de los valores nominales del aislamiento, la vida del aislamiento será más corta. Las clases de aislamiento del estándar NEMA vienen designados por letras acuerdo con la máxima calificación de la temperatura. Un motor de repuesto debe tener la misma clase de aislamiento o una calificación más alta que la temperatura motor al que sustituye. Las cuatro principales clasificaciones NEMA de aislamiento de motor son las siguientes: CLASE DE
CLASIFICACIÓN
NEMA classification
Maximum operating temperatures
A
221° F (105° C)
B
226° F (130° C)
F
311° F (155° C)
H
356° F (180° C)
VELOCIDAD DEL MOTOR La velocidad nominal del motor indicada en la placa de datos se da en revoluciones por minuto (rpm). Esta velocidad nominal del motor no es la velocidad de funcionamiento exacto, pero la velocidad a proximada en la que un motor gir a cuando tr a ba ja de acuerdo a la potencia. El número de polos en el motor y la frecuencia de la tensión de alimentación determina la velocidad de un motor de CA. La velocidad de un motor de DC está determinada por el valor de la tensión y la corriente de campo.
PART 4
Motor Nameplate and Terminology
33
CICLO DE TRABAJO
El ciclo de trabajo se muestra en la placa del motor como DUTY, CICLO DE SERVICIO o TIEMPO DE EVALUACIÓN. Los motores están clasificados de acuerdo a la cantidad de tiempo de espera para operar a plena carga, ya sea como un servicio continuo o intermitente. Ciclo de trabajo nominal en un motor es identificado como CONT en la placa, mientras que el ciclo de trabajo intermitente se identifica como INTER en la placa. Motores de servicio continuo son adecuados para funcionar continuamente sin ningún daño o reducción en la vida del motor. Motores de uso general son normalmente para servicio continuo. Motores de servicio intermitentes son valorados para funcionar continuamente sólo en períodos cortos de tiempo y luego se debe parar y enfriar antes de reiniciar. POTENCIA NOMINAL La potencia nominal del motor se abrevia en la placa de características como HP. Los motores por debajo de 1 caballo de fuerza son denominados motores de potencia fraccionaria y motores 1 caballo de fuerza y por encima se denominan ca ballos de fuerza integrales. La designación HP es una medida a plena carga fuera de la flecha del motor, que puede producir sin reducción de la vida útil. NEMA tiene ya establecidas clasificaciones estándar de potencia de motores de 1 hp a 450 hp. Algunos motores de potencia fraccionaria pequeños se clasifican en Watts (1 HP = 746 W). Los motores en el estándar de Comisión Internacional de Electrotécnica (IEC) son asignados en kilowatts (kW). Cuando una aplicación requiere una potencia que esta entre dos tamaños, el tamaño más grande es elegido para proporcionar la potencia adecuada para operar la carga. RA DE CÓDIGO Un carácter alfabético se utiliza para indicar la Letra Código NEC de un motor. Cuando los motores de CA se ponen en marcha a tensión plena, la corriente describe una gráfica “avalancha” o “de rotor bloqueado” sustancialmente mayor que su carga nominal. El valor de esta alta corriente se utiliza para determinar el valor del disyuntor y fusibles, de acuerdo con los requisitos del NEC. Además, la corriente de arranque puede ser im portante en algunas instalaciones donde corrientes de arranque altas pueden causar una caída de tensión que podría afectar a otros equipos. Los motores están equipados con un código de letras en el nombre de la placa que designa la calificación de rotor bloqueado del motor en kilovolts-ampers (kVA) por caballo de fuerza en la placa de datos. Las letras de código de la A a la V se enumeran en el artículo 430 de la Código Eléctrico Nacional. Como un ejemplo, una calificación M permite 10.0-11.19 kVA por caballo de fuerza. LET
34
Chapter 2
Understanding Electrical Drawings
Code
kVA/hp
Code
kVA/hp
A B C D E F G H J K
0–3.14 3.15–3.54 3.55–3.99 4.0–4.49 4.5–4.99 5.0–5.59 5.6–6.29 6.3–7.09 7.1–7.99 8.0–8.99
L M N P R S T U V
9.0–9.99 10.0–11.19 11.2–12.49 12.5–13.99 14.0–15.99 16.0–17.99 18.0–19.99 20.0–22.39 22.4 & Up
Code Letters
RA DE DISEÑO La letr a de diseño es un a indicación de l a forma de la curva de par-velocidad. Las letr as de diseño más comunes son A, B, C, D, y E. Diseño B es el motor industrial de servicio estándar, que tiene par de arr anque r azona ble con corriente de arr anque moder ado y es a pto par a la mayoría de a plicaciones industriales. LET
NFOR MACIÓN OPCIONAL DE LA PLACA
I
FACTOR DE SER VICIO Factor de servicio (SF a breviado en la placa de datos) es un multiplicador que se a plica a ca ballos de fuerza normales del motor par a indicar un aumento de la potencia de salida (o c a pacidad de sobrecarga) que el motor es ca paz de proporcion ar ba jo ciertas condiciones. Por ejemplo, un motor de 10 HP con un f actor de servicio 1,25 des arrolla con seguridad el 125 por ciento de la potencia nominal, o 12,5 HP. En gener al, el f actor de servicio indic a que un motor puede: • Manejar una sobrecarga ocasional. • Proporcionar un f actor de seguridad en el medio ambiente o condiciones de servicio no está bien definid a, especialmente par a motores eléctricos de uso gener al. • Tr a ba jar a una temper atur a más ba ja de lo normal en carga nominal, alargando así la vida del aislamiento.
Valores comunes de f actor de servicio son 1.0, 1.15, y 1.25. Cuando la placa de datos no indica un f actor de servicio, se supone que el f actor de servicio de 1.0. En algunos casos la corriente con un f actor de servicio de carga t ambién se indica en la placa de datos como ampers del f actor de servicio (SFA). CAR CASA DEL
MOTOR La selección de un a carcasa del motor depende de la temper atur a ambiente y de las condiciones del entorno. L as dos cl asificaciones gener ales de carcasa de motores son a biertos y tot almente cerr ado. Un motor a bierto tiene a bertur as de ventilación, que permiten el p aso de aire exterior por encima y alrededor de los devanados del motor. Un motor totalmente cerr ado se construye par a impedir el libre intercambio de aire entre el interior y el parte exterior del armazón, pero no lo suficiente p ar a ser encerr ado herméticamente.
TAMAÑO DEL AR MAZÓN Se refiere a un conjunto de dimensiones físicas de motores establecido por NEMA e IEC. El armazón incluye el tamaño físico, la construcción, las dimensiones y otras características físicas de un motor. Cuando se cambia un motor, del mismo armazón sin importar el fabricante se asegura el mecanismo de montaje y posiciones de los agujeros coincidirán. Dimensionalmente, las normas NEMA se expresan en Unidades inglesas y las normas IEC se expresan en unidades métricas. Normas IEC y NEMA usan códigos de letras para indicar dimensiones mecánicas específicas, más el número de código para el tamaño general del armazón. EFICIENCIA La eficiencia se incluye en la placa de identificación de muchos motores. La eficiencia de un motor es una medida de la eficacia con la que el motor convierte la energía eléctrica en energía mecánica. La eficiencia del motor varía de la placa de datos en función del porcentaje de la carga nominal aplicada al motor. La mayoría de los motores operan cerca de su máxima eficiencia a carga nominal. Los motores eficientes en energía, también llamados motores de calidad Premium o de alto rendimiento, son de 2 a 8 por ciento más eficiente que motores estándar. Los motores califican como “ eficiencia energética “ si cumplen o sobrepasan los niveles de eficiencia que figuran en la publicación de NEMA MG1. Motores energéticamente eficientes deben su mayor rendimiento a las mejoras de diseño y tolerancias de fabricación más exactos.
FACTOR DE POTENCIA Las letras P.F. cuando están marcadas en la placa de datos de los motores refieren al factor de potencia. El valor del factor de potencia de un motor representa el factor de potencia del motor a carga nominal y voltaje nominal. Los motores son cargas inductivas y tienen factores de potencia menos de 1.0, por lo general entre 0.5 y 0.95, dependiendo de su tamaño. Un motor con un bajo factor de potencia demanda más corriente, que un motor con la misma potencia pero con un alto factor de potencia. El factor de potencia de motores de inducción varía con la carga y disminuye significativamente cuando el motor se hace funcionar por debajo del 75 por ciento de la carga total.
Los principales tipos de protectores térmicos incluyen dis positivos de restablecimiento automático y manual que detectan cualquier corriente o temperatura. Con los dispositivos de restablecimiento automático, después de que el motor se enfría, este dispositivo eléctrico restaura automáticamente la alimentación al motor. Con los dispositivos de restablecimiento manual, el dispositivo tiene un botón externo ubicado en la carcasa del motor que debe ser manualmente presionado para restaurar la energía al motor. La protección manual debe reestablecerse después de se enfría el motor, si se restablece inmediatamente puede causar daños al operador. Algunos motores de bajo costo no tienen protección térmica interna y dependen de la protección externa entre el motor y la fuente de alimentación por seguridad.
ESQUEMAS DE CONEXIÓN Los esquemas de conexión se encuentran en la placa de datos de algunos motores, o pueden estar situados dentro de la caja de conexiones o en una placa de conexión especial. Los diagramas indican las conexiones específicas para motores de doble voltaje. Algunos motores pueden operar en cualquier dirección, dependiendo de las conexiones del motor, esta información también se puede dar en la placa del fabricante.
GUÍA DE TÉR MINOS PARA MOTORES La terminología es de suma importancia en la comprensión del control del motor eléctrico. Términos de control de motores se enumeran a continuación. Cada uno de estos términos se discutirán a detalle, ya que se encuentran en el texto.
-A través de la línea método de arranque del motor. Se ,
conecta al motor directamente a la línea de alimentación para arrancar o funcionar. (llamado a tensión plena) -Arrancador automático arrancador de acción automática. Completamente controlado por el interruptor general o piloto o algún otro dispositivo sensor. -Contacto auxiliar dispositivo de contacto secundario además de los contactos del circuito principal. Operado por un contactor o arrancador. -Contactor Un tipo de relé utilizado para la conmutación de la energía. -Jog Operación momentánea. Pequeño movimiento de una máquina impulsada. -Corriente de rotor bloqueado medida de la corriente con el rotor bloqueado a tensión y la frecuencia nominal. -Protección de baja tensión (LVP), de control magnético únicamente ; sin arranque automático. Un control de tres hilos. Un fallo de energía desconecta el servicio, cuando la energía necesita restaurarse, se requiere de reinicio manual. ,
,
,
,
PROTECC IÓN TÉR MICA La protección térmica, si se especifica en la placa del motor, indica que el motor ha sido diseñado y fabricado con un dispositivo de protección térmica incorporado. Hay varios tipos de dispositivos de protección que se pueden construir en el motor y se utiliza para detectar el aumento de temperatura (sobrecarga) y el flujo de corriente. Estos dispositivos desconectan el motor de la fuente de alimentación si detectan sobrecarga, para evitar daños en el aislamiento de los devanados del motor.
,
PART 4
Motor Nameplate and Terminology
35
Voltaje de Liberación (LVR ), control magnético únicamente de arranque automático. Control de dos hilos. Un fallo energía desconecta el servicio, cuando se restablece la energía, el controlador se reiniciará automáticamente. -Bajo
magnético es un contactor que es operado electromecánicamente. -Contactor
,
-Arrancador
multivelocidad controlador eléctrico con dos o más velocidades ( marcha atrás o sin inversión ) a voltaje pleno o reducido . ,
de sobrecarga protección contra sobrecorriente. Funciona ante el exceso de corriente . No proporciona necesariamente la protección contra un cortocircuito. Si se activa mantiene una interrupción de la fuente de alimentación al motor. -Relé
,
-Plugging, frenado
mediante la rotación inversa. El motor desarrolla una fuerza de retardo. Button interruptor principal que es de botón utilizado para accionar un dispositivo, montado en botoneras. -Pussh
,
dis positivo eléctrico en algún punto r emoto.
-Interruptor selector interruptor que tiene accionami ento ,
manual, tiene la misma construcción que botones pulsador es, exce pto que al girar acciona los contacto s. La leva giratoria puede es tar dis puesta con índices incr ementales, por lo que las posiciones se pueden utilizar para seleccionar las operaciones exclusivas. -Deslizamiento es la dif er encia entr e la velocidad r eal (motor rpm) y la velocidad síncrona ( rotación del campo magnético). ,
-Arrancador controlador eléctrico utilizado para arrancar, ,
parar y proteger el motor.
-Timer dis positivo piloto, considerado como r elé temporizado, ,
provee un ajuste de tiempo para r ealizar s u función. Puede ser accionado por un motor, solenoide o electrónicamente.
,
Voltaje reducido de arranque suministra una tensión reduci-
-
,
da al motor durante el arranque . -Relé, usado
en circuitos de control y operado por un circuito eléctrico para controlar un equipo en el mismo circuito o en otro.
36
-Control remoto controla el arranque o cambio de un
Chapter 2
Understanding Electrical Drawings
-Par es la fuerza de tor sión o giro que provoca movimiento rotativo e n un objeto. Hay dos tipos de par e n motor es, par de arranque y par nominal ,
PARTE
5
ARRA N CA D ORE S
MAN UA LES
Y
L1
L2
L3
MAGNÉTICOS
ARRANCADOR MANUAL Los arrancadores manuales son una manera muy básica para el suministro de energía a un motor. Un circuito de control manual es aquel que requiere que el operador controle el motor directamente en la ubicación del arrancador. La figura 2-35 muestra un ejemplo de un circuito de control manual de arranque para motor trifásico. La línea de punteada a través de los contactos designa un arranque manual (como diferencia de un arrancador magnético). Los cables de alimentación (L1, L2, y L3) se conectan a la parte superior de los contactos, y los lados opuestos de los contactos están conectados a los elementos térmicos de sobrecarga. Las terminales (T1, T2, T3) se conectan al motor 3. Los arrancadores manuales son operados por mecanismos de inicio / paro situados en la parte frontal de la carcasa del arrancador. El mecanismo de arranque / paro mueve los tres contactos a la vez para cerrar (inicio) o abierto (paro) el circuito al motor. El Código Eléctrico Nacional exige que un motor de arranque no sólo encienda y apague el motor, sino también lo proteja de sobrecargas. Los tres dispositivos térmicos de sobrecarga están instalados para abrir mecánicamente los contactos del arrancador cuando una condición de sobrecarga es detectada. Arrancadores manuales de tres fases se utilizan en aplicaciones de baja potencia tales como taladro prensas y sierras de mesa donde el control remoto no es necesario.
ARRANCADOR MAGNÉTICO Los arrancadores magnéticos permiten que un motor sea controlado desde cualquier ubicación . La figura 2-3 6 muestra un arrancador trifásico sobre la línea ( a plena tensión ).
L1
L2
L3
Contacts
Overload heater elements T1
T2
T3
Motor
Figure 2-35
3 Coil
2
T1
T2
T3
Figure 2-36
Typical three-phase, across-the-line (fullvoltage) magnetic starter. Photo courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.
Las terminales de línea, terminales de carga, bobina de arrancador del motor, relés de sobrecarga y contactos auxiliares son mostrados. Cuando la bobina del arrancador es energizada, los tres contactos principales y así como los contactos auxiliares cierran. Si se produce una condición de sobrecarga, el relé de sobre carga OL abrirá. Además del circuito de fuerza, el fabricante proporciona alg ún circuito de control. En este caso, el circuito de control precableado consta de dos conexiones a la bobina de arranque. Uno de los lados de la bobina de arranque se conecta al relé de sobrecarga y el otro lado al contacto pro pio. Circuitos de control magnéticos se dividen en dos tipos básicos: el circuito de control de dos hilos, y el circuito de control de tres hilos. Circuitos de control de dos hilos están diseñados para arrancar o detener el motor cuando un dispositivo de control remoto, como un termostato o presóstato se activa o desactiva. La figura 2-37 muestra un control típico de dos hilos. Se debe tener en cuenta que el circuito sólo tiene dos cables que conducen desde el dispositivo de control hacia el arrancador magnético. El arrancador opera automáticamente en respuesta al estado del dispositivo de control, sin la ayuda de un operador. Cuando los contactos del dispositivo de control cierran, la corriente es suministrada a la bobina de arranque, provocando que se energice. Como resultado, el motor ese conectará a la línea mediante los contactos de fuerza. La bobina de arranque se desactiva cuando los contactos abren, apagando el motor. Los sistemas de control de dos hilos proporcionan, un bajo voltaje pero no protección de bajo voltaje. Usan un tipo de control de contacto mantenido en vez de un contacto momentáneo. Si el motor se detiene por una interrupción de energía, el arrancador desenergiza (bajo voltaje), pero también se energiza cuando el circuito de fuerza es restaurado. La protección de baja tensión no está proporcionada, ya que no hay manera de que el operador sea protegido de forma automática una vez que el circuito de fuerza haya sido restablecido.
Manual motor starter.
Photo courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.
PART 5
Manual and Magnetic Motor Starters
37
Two wires
Wiring diagram L1
L2
Wiring diagram Three wires
L3
L1
L2
L3
1
1 M
M
3 Remote pressure control switch
3
Start
M
M M
2
M
2
OL
OL T1
T2
Stop
T3
T1
Ladder control diagram L2 1
3
OL
Figure 2-37
Ladder control diagram L1
2
• Tr es cables operan desde la estación de inicio / paro hacía el arrancador . • El cir cuito utiliza contactos normalmente cerrados (NC) en ser ie, en c ombinación de un contacto normalmente abierto (NO) y la bobina (M). • Cuando se pr esiona momentáneamente el botón de arranque, voltaje de la línea es aplicadi a la bobina de arranque. • Los tr es contactos pr inci pales M cierran aplicando tensión al motor .
38
Chapter 2
Understanding Electrical Drawings
3
M (holding contact)
Photo courtesy Honeywell, www.honeywell.com.
El c ontrol mediante tr es hilos ofr ece protección de bajo voltaj e. El arrancador sale de operación cuando hay un fallo de tensión, pero no opera automáticamente cuando la tensión se r establece. El control por tr es hilos utiliza un dispositivo de contacto momentáneo y un cir cuito de r etención para propor cionar la protección de fallo de alimentación. La f igura 2-38 muestra un cir cuito de control de tr es hilos típico. El f uncionamiento del cir cuito se puede r esumir de la siguiente manera:
OL M
1
Two-wire control circuit.
Los cir cuitos de control de dos hilos se utilizan para operar automáticamente maquinas donde la característica de arranque automático e s c onveniente y n o hay peligro de que las personas r esulten lastimadas si el equi po r e pentinamente inicia después de una falla. Las bombas de succión y compr esor es de r efr igeración son dos aplicaciones comunes para sistemas de control de dos hilos.
L2
Start
Stop
M
Switch
T3
Motor
Motor
L1
T2
Figure 2-38
Three-wire control circuit.
This material and associated copyrights are proprietary to, and used with the permission of Schneider Electric.
• El contacto auxiliar M se cierra para establecer un cir cuito alr ededor del botón de inicio. • Al soltar el botón de arranque, la bobina permanece energizada por el contacto auxiliar M (también conocido posesión, sello, contacto de memor ia) y el motor seguirá f uncionando. • Cuando el botón de paro es activado, todo el voltaj e de la bobina de arranque se pierde. Los contactos pr inci pales se abr en junto con el contacto de r etén y el motor se detiene. • El arrancador sale de operación a baja o nin guna tensión y n o puede ser ene rgizado a menos que se vuelva a suministrar volta je desde el botón de encendido. Básicamente, el control de tr es hilos utiliza un cir cui to de mantenimiento que consta de un contacto de r etén c onectado en paralelo con el botón de inicio. Cuando arrancador sale de operación, el contacto de r etén se abr e y abr e el cir cuito de la bobina hasta que el botón de inicio es pr esionado para arrancar el motor . En el caso de un fallo de energía, el cir cuito de mantenimiento está diseñado para proteger contra arranque automático cuando se r establ ezca el suministro. Este ti po de protección de be ser utilizado donde, accidentes o daño puedan r esultar de arranques inesperados. Todos los dispositivos que arrancan el cir cuito están conectados, mientras que los que se paran e l cir cuito e stán conectados en ser ie.
PART 5 Review Questions
1. How are the contacts of a manual motor starter closed and opened?
3. Power is lost and then returned to a two-wire motor control circuit. What will happen? Why?
2. One advantage of the magnetic motor starter over manual types is that it allows a motor to be controlled from any location. What makes this possible?
4. Trace the current path of the holding circuit found in a three-wire motor control circuit.
TROUBLESHOOTING SCENARIOS
1.
Heat is the greatest enemy of a motor. Discuss in what way nonadherence to each of the following motor nameplate parameters could cause a motor to overheat: (a) voltage rating; (b) current rating; (c) ambient temperature; (d ) duty cycle.
2.
Two identical control relay coils are incorrectly connected in series instead of parallel across a 230-V source. Discuss how this might affect the operation of the circuit.
3.
4.
5.
6.
A two-wire magnetic motor control circuit controlling a furnace fan uses a thermostat to automatically operate the motor on and off. A single-pole switch is to be installed next to the remote thermostat and wired so that, when closed, it will override the automatic control and allow the fan to operate at all times regardless of the thermostat setting. Draw a ladder control diagram of a circuit that will accomplish this. A three-wire magnetic motor control circuit uses a remote start/stop pushbutton station to operate the motor on and off. Assume the start button is pressed but the starter coil does not energize. List the possible causes of the problem. How is the control voltage obtained in most motor control circuits?
Assume you have to purchase a motor to replace the one with the specifications shown below. Visit the website of a motor manufacturer and report on the specifications and price of a replacement motor.
Horsepower
10
Voltage
200
Hertz
60
Phase
3
Full-load amperes
33
RPM
1725
Frame size
215T
Service factor
1.15
Rating
40C AMB-CONT
Locked rotor code
J
NEMA design code
B
Insulation class
B
Full-load efficiency
85.5
Power factor
76
Enclosure
OPEN
DISCUSSION TOPICS AND CRITICAL THINKING QUESTIONS
1.
2.
3.
Why are contacts from control devices placed only in series with loads?
a. DC b. AC
single-phase dual-voltage induction motor
Record all the nameplate data for a given motor and write a short description of what each item specifies. Search the Internet for electric motor connection diagrams. Record all information given for the connection of the following types of motors:
compound motor
c. AC 4.
three-phase two-speed induction motor
The AC squirrel-cage induction motor is the dominant motor technology in use today. Why?
Discussion Topics
39
Transformadores y Sistemas de Distribucion
3
Los transformadores transfieren energía eléctrica de un
circuito eléctrico a otro por medio de la inducción electromagnética. En su sentido más amplio, un sistema de distribución se refiere a la manera en que la energía eléctrica se transmite desde los generadores a sus numerosos puntos de uso. En este capítulo vamos a estudiar el papel que juegan los transformadores de distribución de energía en motores y los sistemas de control.
PAR TE 1 Sistemas de Distribución de Energí a
Objectiv os del capitulo Este capítulo te ayudar á a:
1. Entender los principios que se utilizan para transmitir eficazmente la energía de la planta de generación al cliente. 2. Reconocer las diferentes secciones y funciones de una
Sistemas de Transmisión
Los sistemas centrales de generación y distribución de energía permiten que se produzca energía en un lugar para su uso inmediato en otro lugar, a muchos k ilómetros de distancia. La transmisión de grandes cantidades de energía eléctrica sobre distancias bastante largas se logra más eficazmente mediante el uso de altos voltajes.
subestación. 3. Diferenciar entre la entrada de servicio, alimentadores
y circuitos de la red de distribución eléctrica dentro de un edificio. 4. Estar familiarizado con el funcionamiento y tipos vías
utilizadas en los sistemas de distribución eléctrica. 5. Explicar la función de los tableros, paneles, y los cen-
tros de control de motores. 6. Comprender la teoría de funcionamiento de un trans-
formador. 7. Conectar correctamente un transformador monofásico
y trifásico como parte de la potencia del motor y circuito de control.
40
345,000-V High-voltage transmission grid
current required for a given load. Their operation is summarized as follows: • 10,000 W of power is to be transmitted.
20,000 V
• When transmitted at the 100-V level, the required transmission current would be 100 A:
4,000 V
P � V × I � 100 Power generating station
Step-up transformer
Figure 3-1
Step-down Commercial/ transformer industrial customer
Transformation stages of a power distribution
system.
high voltages. Figure 3-1 illustrates the typical transformation stages through which the distribution system must go in delivering power to a commercial or industrial user. Without transformers the widespread distribution of electric power would be impractical. Transformers are electrical devices that transfer energy from one electrical circuit to another by magnetic coupling. Their purpose in a power distribution system is to convert AC power at one voltage level to AC power of the same frequency at another voltage level. High voltages are used in transmission lines to reduce the amount of current flow. The power transmitted in a system is proportional to the voltage multiplied by the current. If the voltage is raised, the current can be reduced to a smaller value, while still transmitting the same amount of power. Because of the reduction of current flow at high voltage, the size and cost of wiring are greatly reduced. Reducing the current also minimizes voltage drop ( IR) and amount of power lost ( I 2 R) in the lines. The circuits of Figure 3-2 illustrate how the use of high voltage reduces the required amount of transmission 10,000 W
Power generating plant
10,000 W
100 A Transmission at 100-V level
10,000 W
Customer
� 10,000
W
• When the transmission voltage is stepped up to 10,000 V, a current flow of only 1 A is needed to transmit the same 10,000 W of power: P � V × I � 10,000 V × 1
A � 10,000 W
There are certain limitations to the use of high voltage in power transmission and distribution systems. The higher the voltage, the more difficult and expensive it becomes to safely insulate between line wires, as well as from line wires to ground. The use of transformers in power systems allows generation of electricity at the most suitable voltage level for generation and at the same time allows this voltage to be changed to a higher and more economical voltage for transmission. At the load centers transformers allow the voltage to be lowered to a safer voltage and more suitable voltage for a particular load. Power grid transformers, used to step up or step down voltage, make possible the conversion between high and low voltages and accordingly between low and high currents (Figure 3-3). By use of transformers, each stage of the system can be operated at an appropriate voltage level. Single-phase three-wire power is normally supplied to residential customers, while three-phase power is supplied to commercial and industrial customers.
Unit Substations Electric power comes off the transmission lines and is stepped down to the distribution lines. This may happen in several phases. The place where the conversion from transmission to distribution occurs is in a power substation . It has transformers that step transmission voltage levels down to distribution voltage levels. Basically a power substation consists of equipment installed for switching, changing, or regulating line voltages. Substations provide a safe point in the electricity grid system for disconnecting the power in
10,000 W
Step-up 1 A Step-down transformer transformer Transmission at 10,000-V level
Figure 3-2
V × 100 A
High voltage reduces the required amount of transmission current required.
High-voltage power lines
Low-voltage power lines
High-voltage, low-current winding
Low-voltage, high-current winding
Figure 3-3
Power grid transformer.
Photo courtesy ABB, www.abb.com.
PART 1
Power Distribution Systems
41
Primary service feeder
Primary switchgear Transformer Main secondary breaker
Low-voltage main bus
Feeder breakers
Branch feeders
Figure 3-5 Figure 3-4
Factory assembled unit substation.
This material and associated copyrights are proprietary to, and used with the permission of Schneider Electric.
the event of trouble, as well as a convenient place to take measurements and check the operation of the system. The power needs of some users are so great that they are fed through individual substations dedicated to them. These secondary unit substations form the heart of an industrial plant’s or commercial building’s electrical distribution. They receive the electric power from the electric utility and step it down to the utilization voltage level of 600 V nominal or less for distribution throughout the building. Unit substations offer an integrated switchgear and transformer package. A typical unit substation is shown in Figure 3-4. Substations are factory assembled and tested and therefore require a minimum amount of labor for installation at the site. The unit substation is completely enclosed on all sides with sheet metal (except for the required ventilating openings and viewing windows) so that no live parts are exposed. Access within the enclosure is provided only through interlocked doors or bolted-on removable panels. The single-line diagram for a typical unit substation is illustrated in Figure 3-5. It consists of the following sections: High-voltage primary switchgear —This section incorporates the terminations for the primary feeder cables and primary switchgear, all housed in one metal-clad enclosure. Transformer section —This section houses the transformer for stepping down the primary voltage to the low-voltage utilization level. Dry-type, air-cooled transformers are universally used because they do not require any special fireproof vault construction. Low-voltage distribution section —This switchboard section provides the protection and control for the low-voltage feeder circuits. It may contain fusible
42
Chapter 3
Single-line diagram for a typical unit substation.
switches or molded-case circuit breakers in addition to metering for the measurement of voltage, current, power, power factor, and energy. The secondary switchgear is intended to be tripped out in the event of overload or faults in the secondary circuit fed from the transformer; the primary gear should trip if a short circuit or ground fault occurs in the transformer itself. Before attempting to do any work on a unit substation, first the loads should be disconnected from the transformer and locked open. Then the transformer primary should be disconnected, locked out, and grounded temporarily if over 600 V.
Distribution Systems Distribution systems used to distribute power throughout large commercial and industrial facilities can be complex. Power must be distributed through various switchboards, transformers, and panelboards (Figure 3-6) without any component overheating or unacceptable voltage drops. This power is used for such applications as lighting, heating, cooling, and motor-driven machinery. The single-line diagram for a typical electrical distribution system within a large premise is shown in Figure 3-7. Typically the distribution system is divided into the following sections: Service entrance —This section includes conductors for delivering energy from the electricity supply system to the premises being served. Feeders —A feeder is a set of conductors that originates at a main distribution center and supplies one or more secondary or branch circuit distribution centers. This section includes conductors for delivering the energy from the service equipment location to the final branch circuit overcurrent device; this protects each
Motor Transformers and Distribution Systems
Outdoor feeder busway
Feeder busway
480 V AC from utility
480 V AC
Switchboard Panelboard
Transformer 480 V AC 120 V AC
480 V AC
Motor control center Panel
Figure 3-6
Typical commercial/industrial distribution system.
Courtesy Siemens, www.siemens.com.
Lighting panelboard Lighting and receptacles
Main switchboard Other loads
Distribution panel Specific purpose equipment
Subfeeder Main feeder
Electricity supply system
Power panelboard Service equipment
Motor control center
Main feeder Motors
Service entrance
Figure 3-7
Feeders
Branch circuits
Single-line diagram for a typical electrical distribution system.
piece of utilization equipment. Main feeders originate at the service equipment location, and subfeeders originate at panelboards or distribution centers at locations other than the service equipment location.
Branch circuits—This
section includes conductors for delivering the energy from the point of the final overcurrent device to the utilization equipment. Each feeder, subfeeder, and branch circuit conductor in
PART 1
Power Distribution Systems
43
turn needs its own properly coordinated overcurrent protection in the form of a circuit breaker or fused switch. Correct selection of conductors for feeders and branch circuits must take into account ampacity, short-circuit, and voltage-drop requirements. Conductor ampacity refers to the maximum amount of current the conductor can safely carry without becoming overheated. The ampacity rating of conductors in a raceway depends on the conductor material, gauge size, and temperature rating; the number of current-carrying conductors in the raceway; and the ambient temperature. The National Electrical Code (NEC) contains tables that list the ampacity for approved types of conductor size, insulation, and operating conditions. NEC rules regarding specific motor installations will be covered throughout the text. Installers should always follow the NEC, applicable state and local codes, manufacturers’ instructions, and project specifications when installing motors and motor controllers. All conductors installed in a building must be properly protected, usually by installing them in raceways. Raceways provide space, support, and mechanical protection for conductors, and they minimize the hazards from electric shocks and electric fires. Commonly used types of raceways found in motor installations are illustrated in Figure 3-8 and include:
properly supported and have sufficient access points to facilitate the installation of the conductors. Conduits must be large enough to accommodate the number of conductors, based generally, on a 40 percent fill ratio. Cable trays — Cable trays are used to support feeder cables where a number of them are to be run from the same location. They consist of heavy feeder conductors run in troughs or trays. Low-impedance busways (bus duct) — The busways are used in buildings for high-current feeders. They consist of heavy bus bars enclosed in ventilated ducts. Plug-in busways—These busways are used for overhead distribution systems. They provide convenient power tap-offs to the utilization equipment.
Switchboards and Panelboards The Code defines a switchboard as a single panel or group of assembled panels with buses, overcurrent devices, and instruments. Figure 3-9 shows a typical combination service entrance and switchboard installed in a commercial building. The service entrance is the point where
Conduits — Conduits are available in rigid and flexible, metallic and nonmetallic types. They must be Rigid conduit
Flexible conduit
Motor
Rigid and flexible conduit
Cable trays
Figure 3-8
Busway sections bolted together
Plug-in type busway
Common types of raceways.
Busway photos courtesy Siemens, www.siemens.com. Cable tray photo courtesy of Hyperline Systems (www.hyperline.com). The copyrights are owned by the Hyperline Systems or the original creator of the material.
44
Chapter 3
Figure 3-9
Combination service entrance switchboard.
Photos courtesy Siemens, www.siemens.com.
Motor Transformers and Distribution Systems
A 480 V 480 V N B 480 V C
Branch circuit
277 V
feeders
Neutral bus
Panelboard
Panelboard
Wall mounted
Main lugs A B C Main feeder
Figure 3-11
from switchboard
wire panelboard.
Figure 3-10
Typical panelboard installations.
This material and associated copyrights are proprietary to, and used with the permission of Schneider Electric.
electricity enters the building. The switchboard has the space and mounting provisions required by the local utility for metering its equipment and incoming power. The switchboard also controls the power and protects the distribution system through the use of switches, fuses, c ircuit breakers, and protective relays. Switchboards that have more than six switches or circuit breakers must include a main switch to protect or disconnect all circuits. A panelboard contains a group of circuit breaker or fuse protective devices for lighting, convenience receptacles, and power distribution branch circuits (Figure 3-10). Panelboards (sometimes referred to as load centers) are placed in a cabinet or cutout box, which is accessible only from the front, and have dead fronts. A dead front is defined in the Code as having no exposed live parts on the operating side of the equipment. The panelboard is usually supplied from the switchboard and further divides the power distribution system into smaller parts. Panelboards make up the part of the distribution system that provides the last centrally located protection for the final power run to the load and its control circuitry. Panelboards suitable as service equipment are so marked by the manufacturer.
Wiring for a 277/480-V, three-phase, four-
Figure 3-11 shows the typical internal wiring for a 277/480-V, three-phase, four-wire panelboard equipped with circuit breakers. This popular system used in industrial and commercial installations is capable of supplying both three-phase and single-phase loads. From neutral (N) to any hot line, 277 V single-phase for fluorescent lighting can be obtained. Across the three hot lines (A-B-C) 480 V three-phase is present for supplying motors. The proper grounding and bonding of electrical distribution systems in general and panelboards in particular are very important. Grounding is the connection to earth, while bonding is the connection of metal parts to provide a low impedance path for fault current to aid in clearing the overcurrent protection device and to remove dangerous current from metal that is likely to become energized. The main bonding jumper gives you system grounding. If a transformer is immediately upstream of the panelboard, you must bond the neutral bus or neutral conductor to the panel enclosure and to a (bare) grounding-electrode conductor as illustrated in Figure 3-12. The Code requires the panelboard cabinets, frames, and the like to be connected to an equipment grounding conductor, not merely grounded. A separate equipment grounding terminal bar must be installed and bonded to the panelboard for the termination of feeder and branch circuit equipment grounding conductors (Figure 3-13). The equipment grounding bus is noninsulated and is
PART 1
Power Distribution Systems
45
A B C
A A
B
B
C
A
C Neutral bus
Neutral
B C Neutral bonded to metal panelboard
Ground
Front to back
Figure 3-14 Grounding electrode conductor
Grounding electrode
Figure 3-12
Panelboard grounding and bonding. Equipment grounding bus connects directly to metal enclosure
Figure 3-13
Top to bottom
Left to right
Phase arrangement on 3-phase buses.
incoming supply cables are connected directly to the busbars. Primary overload protection is not provided as an integral part of the panelboard. It must be externally provided. Normally panelboard circuit terminals are required to be labeled or to have a wiring diagram. One scheme (sometimes called NEMA numbering) uses odd numbers on one side and even on the other, as illustrated in Figure 3-15.
Equipment grounding bus.
This material and associated copyrights are proprietary to, and used with the permission of Schneider Electric.
mounted inside the panelboard and connects directly to the metal enclosure. A busbar can be defined as a common connection for two or more circuits. The Code requires that busbars be located so as to be protected from physical damage and held firmly in place. Three-phase busbars are required to have phases in sequence so that an installer can have the same fixed phase arrangement in each termination point in any panel or switchboard. As established by NEMA, the phase arrangement on three-phase buses shall be A, B, C front to back, top to bottom, or left to right as viewed from the front of the switchboard or panelboard (Figure 3-14). Panelboards are classified as main breaker or main lug types. Main breaker–type panelboards have the incoming supply cables connected to the line side of a circuit breaker, which in turn feeds power to the panelboard. The main breaker disconnects power from the panelboard and protects the system from short circuits and overloads. A main lug panelboard does not have a main circuit breaker. The
46
Chapter 3
Main breaker type
L1 L2 L3 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18 Typical terminal numbering
Figure 3-15
Panelboard configurations.
Photos courtesy Siemens, www.siemens.com.
Motor Transformers and Distribution Systems
Main lug only
Motor Control Centers (MCCs) At times a commercial or industrial installation will require that many motors be controlled from a central location. When this is the case, the incoming power, control circuitry, required overload and overcurrent protection, and any transformation of power are combined into one convenient center. This center is called the motor control center . A motor control center is a modular structure designed specifically for plug-in type motor control units. Figure 3-16 illustrates a typical motor control center made up of a compact floor-mounted assembly, composed principally of combination motor starters that contain a safety switch and magnetic starter placed in a common enclosure. The control center is typically constructed with one or more vertical sections, with each section having a number of spaces for motor starters. The sizes of the spaces are determined by the horsepower ratings of the individual starters. Thus, a starter that will control a 10-hp motor will take up less room than a starter that will control a 100-hp motor. A motor control center is an assembly primarily of motor controllers having a common bus. The structure supports and houses control units, a common bus for distributing power to the control units, and a network of wire
Lighting contactor
Figure 3-16
Typical motor control center.
Photo courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.
troughs for accommodating incoming and outgoing load and control wires. Each unit is mounted in an individual, isolated compartment having its own door. Motor control centers are not limited to housing just motor starters but can typically accommodate many unit types as illustrated in Figure 3-17. These may include: • Contactors • Full-voltage nonreversing NEMA and IEC starters
Full-voltage nonreversing starter
Full-voltage reversing starter
Metering unit
Programmable logic controller (PLC)
Figure 3-17
Soft starter
Variablefrequency drive
Typical motor control c enter unit types.
Photos courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.
PART 1
Power Distribution Systems
47
• • • • •
Full-voltage reversing NEMA and IEC starters Soft starters AC variable-frequency drives Programmable logic controllers (PLCs) Solid-state motor controllers
PART 1
Transformer Principles
Transformer Operation A transformer is used to transfer AC energy from one circuit to another. The two circuits are coupled by a magnetic field that is linked to both instead of a conductive electrical path. This transfer of energy may involve an increase or decrease in voltage, but the frequency will be the same in both circuits. In addition, a transformer doesn’t change power levels between circuits. If you put 100 VA into a transformer, 100 VA (minus a small amount of losses) comes out. The average efficiency of a transformer is well over 90 percent, in part because a transformer has no moving parts. A transformer can be operated only with AC voltage because no voltage is induced if there is no change in the magnetic field. Operating a t ransformer from a constant DC voltage source will cause a large amount of DC current to flow, which can destroy t he transformer. Figure 3-18 illustrates a simplified version of a singlephase (1ϕ) transformer. The transformer consists of two electrical conductors, called the primary winding and the secondary winding. The primary winding is fed from a
48
Transformers Analog or digital metering Feeder circuit breakers Feeder fusible disconnects
Review Questions
1. a. Why are high voltages used for transmitting electric power over long distances? b. What limitation is there to the use of high-voltage transmission systems? 2. a. If 1 MW of electric power is to be transmitted at a voltage of 100 V, calculate the amount of current the conductors would be required to carry. b. Calculate the amount of conductor current flow for the same amount of power and a transmission voltage of 100,000 V. 3. Compare the type of AC power normally supplied to residential customers with that supplied to commercial and industrial customers.
PART 2
• • • •
Chapter 3
4. a. Outline the basic function of a unit substation. b. What three separate sections are contained within a typical unit substation? 5. List three factors taken into account in selecting conductors for feeders and branch circuits. 6. When motors and motor controllers are installed, what regulations must be followed? 7. a. What types of conduit raceways are commonly used in motor installations? b. List several installation requirements for conduit runs. 8. Compare the function of a switchboard, panelboard, and motor control center as part of the electrical distribution system.
varying alternating current, which creates a varying magnetic field around it. According to the principle of mutual inductance , the secondary winding, which is i n this varying magnetic field, will have a voltage induced into it. In its most basic form a transformer is made up of the: • Core, which provides a path for the magnetic lines of force. • Primary winding, which receives energy from the source. • Secondary winding, which receives energy from the primary winding and delivers it to the load. • Enclosure, which protects the components from dirt, moisture, and mechanical damage. The essentials that govern the operation of a transformer are summarized as follows: • If the primary has more turns than the secondary, you have a step-down transformer that reduces the voltage. • If the primary has fewer turns than the secondary, you have a step-up transformer that increases the voltage.
Motor Transformers and Distribution Systems
Single-phase motor control transformers
Magnetic flux path 4A
1A AC source, 100 VA
100 V
Primary winding
Secondary 25 V winding
Load 100 VA
Core
Figure 3-18
Simplified version of a single-phase (1ø) transformer.
Photo courtesy Acme Electric Corporation, www.acmepowerdist.com.
• If the primary has the same number of turns as the secondary, the outgoing secondary voltage will be the same as the incoming primary voltage. This is the case for an isolation transformer. • In certain exceptional cases, one large coil of wire can serve as both the primary and secondary. This is the case with autotransformers. • The primary volt-amperes (VA) or kilovolt-amperes (kVA) of a transformer will be equal to that of the secondary less a small amount of losses.
Transformer Voltage, Current, and Turns Ratio The ratio of turns in a transformer’s primary winding to those in its secondary winding is known as the turns ratio and is the same as the transformer’s voltage ratio. For example, if a transformer has a 10:1 turns ratio, then for every 10 turns on the primary winding there will be 1 turn on the secondary winding. Inputting 10 V to the primary winding steps down the voltage and will produce a 1-V output at the secondary winding. The exact opposite is true for a transformer with a 1:10 turns ratio. A transformer with a 1:10 turns ratio would have 1 turn on the primary winding for every 10 turns on the secondary winding. In this case, inputting 10 V to the primary winding steps up the voltage and will produce 100 volts at
Figure 3-19
Transformer turns ratio test set.
Photo courtesy Megger, www.megger.com/us.
the secondary winding. The actual number of turns is not important, just the turns ratio. A transformer turns ratio test set, such as that shown in Figure 3-19, can directly measure the turns ratio of single-phase transformers as well as three-phase transformers. Any deviations from rated values will indicate problems in transformer windings and in the magnetic core circuits. The voltage ratio of an ideal transformer (one with no losses) is directly related to the turns ratio, while the current ratio is inversely related to the turns ratio: Turns primary ____________ Turns secondary
�
Voltage primary _____________ Voltage secondary
PART 2
�
Current secondary _____________ Current primary
Transformer Principles
49
The following table shows examples of some common single-phase transformer turns ratios based on primary and secondary voltage ratings.
Primary voltage Secondary voltage
Turns ratio
480 V
240 V
2:1
480 V
120 V
4:1
480 V
24 V
600 V
120 V
5:1
600 V
208 V
2.88:1
208 V
120 V
1.73:1
3A
20:1
Figure 3-20 shows the schematic diagram of a step-up transformer wound with 900 turns on the primary winding and 1800 turns on the secondary winding. As a step-up unit, this transformer converts low-voltage, high-current power into high-voltage, low-current power. The transformer equations that apply to this circuit are as follows:
240 V AC supply
Figure 3-21
If the voltage of one winding and the turns ratio are known, the voltage of the other winding can be determined. Primary voltage � Secondary voltage × Turns ratio _1_ � 120 V � 240 V × 2 Primary voltage Secondary voltage � _____________ Turns ratio 120 � 120 × 2 � 240 V ____ � _1_ 2 If the current of one winding and the turns ratio are known, the current of the other winding can be determined. Secondary current Primary current � _______________ Turns ratio 5 A � 5 × 2 � 10 A ____ � _1_ 2 5A
10 A
120 V AC supply
Primary, 900 turns
Figure 3-20
50
Secondary, 1800 turns
Step-up transformer.
Chapter 3
Primary, 1,000 turns
Secondary, 50 turns
Load
12 V A to load
Step-down transformer.
Secondary current � Primary current × Turns ratio � 10
Number of turns on the primary Turns ratio � ____________________________
Number of turns on the secondary 900 � _1_ � 1: 2 turns ratio _____ � 1800 2
60 A
A × _1_ � 5 A 2
Figure 3-21 shows the schematic diagram of a step-down transformer wound with 1,000 turns on the primary winding and 50 turns on the secondary winding. As a step-down unit, this transformer converts high-voltage, low-current power into low-voltage, high-current power. A largerdiameter wire is used in the secondary winding to handle the increase in current. The primary winding, which doesn’t have to conduct as much current, may be made of a smallerdiameter wire. The transformer equations that apply to this circuit are the same as those for a step-up transformer: Number of turns on the primary Turns ratio � ____________________________ Number of turns on the secondary 1000 � ___ 20 � 20:1 turns ratio _____ � 1 50 If the voltage of one winding and the turns ratio are known, the voltage of the other winding can be determined. Primary voltage � Secondary voltage × Turns ratio 20 � 240 V ___ � 12 V × 1 Primary voltage Secondary voltage � _____________ Turns ratio
Load
240 V AC to load
�
240 � 240 × ___ 1 � 12 V ____ 20 20 ___ 1
If the current of one winding and the t urns ratio are known, the current of the other winding can be determined.
Motor Transformers and Distribution Systems
ratio connected to a 0.6-Ω resistive load. The transformer equations that apply to this circuit are as follows:
Secondary current Primary current � _______________ Turns ratio 60 A 1 � _____ � 60 × ___ � 3 A 20 20 ___ 1 Secondary current � Primary current � 3
× Turns ratio
20 � 60 A A × ___ 1
Primary winding current
A transformer automatically adjusts its input current to meet the requirements of its output or load current. If no load is connected to the secondary winding, only a small amount of current, known as the magnetizing current (also known as exciting current), flows through the primary winding. Typically, the transformer is designed in such a way that the power consumed by the magnetizing current is only enough to overcome the losses in the iron core and in the resistance of the wire with which the primary is wound. If the secondary circuit of the transformer becomes overloaded or shorted, primary current increases dramatically also. It is for this reason that a fuse is placed in series with the primary winding to protect both the primary and secondary circuits from excessive current. The most critical parameter of a transformer is its insulation qualities. Failure of a transformer, in most instances, can be traced to a breakdown of the insulation of one or more of the windings. For a purely resistive load, according to Ohm’s law, the amount of secondary winding current equals the secondary voltage divided by the value of the load resistance connected to the secondary circuit (a negligible coil winding resistance is assumed). Figure 3-22 shows the schematic diagram of a step-down transformer with a 20:1 turns Turns ratio 20:1 2A 40 A 480 V AC supply
�
Secondary winding current ______________________
Turns ratio 40 A 1 � _____ � 40 × ___ � 2 A 20 20 ___ 1
Transformer Power Rating Just as horsepower ratings designate the power capacity of an electric motor, a transformer’s kVA rating indicates its maximum power output capacity. Transformers’ kVA ratings are calculated as follows: × E Single-phase loads: kVA � I_____ 1,000
Three-phase loads: kVA �
24 V A 0.6 to load
Step-down transformer connected to a resis-
kVA × 1,000 VA or ___________ Single-phase: Full-load current � _______ Voltage Voltage
Figure 3-23 shows the diagram for a single-phase 25-kVA transformer, rated 480 V primary and 240 V secondary. The rated full-load primary and secondary currents are calculated as follows: kVA × 1,000 Primary full-load current � ___________ Voltage �
Full-load current, 52 A
Figure 3-23
1,000
The maximum power rating of a transformer can be found on the transformer’s nameplate. Transformers are rated in volt-amperes (VA) or kilovolt-amperes (kVA). You may recall that volt-amperes is the total power supplied to the circuit from the source, and includes real (watts) and reactive (VAR) power. The primary and secondary full-load currents usually are not given. If the volt-ampere rating is given along with the primary voltage, then the primary full-load current can be determined using the following equations:
tive load.
480 V AC supply
__
× E × √3 I__________
kVA × 1,000 Three-phase: Full-load current � _____________ 1.73 × Voltage
Load
Figure 3-22
Secondary voltage Secondary winding current � _______________ Load resistance 24 V � _____ � 40 A 0.6 Ω
25 kVA × 1,000 ______________ � 52 A 480 V
Full-load current, 104 A 1- 25 kVA 480-V primary 240-V secondary
Load
240 V AC to load
Single-phase 25-kVA transformer, rated 480/240 V full-load current.
PART 2
Transformer Principles
51
Full-load current, 45 A L1
3 480 V AC supply
L2 L3
Figure 3-24
Full-load current, 104 A 3- 37.5 kVA, 480-V primary, 208-V secondary
3 280 V AC Load to load
Three-phase 37.5-kVA transformer, rated 480/240 V full-load
current.
kVA × 1,000 Secondary full-load current � ___________ Voltage �
kVA × 1,000 Primary full-load current � _____________ 1.73 × Voltage
25 kVA × 1,000 ______________
�
240 V
� 104 A
37.5 kVA × 1,000 _______________ 1.73 × 480 V
� 45
Figure 3-24 shows the diagram for a three-phase 37.5-kVA transformer, rated 480 volts primary and 208 V secondary. The rated full-load primary and secondary currents are calculated as follows:
A
kVA × 1,000 Secondary full-load current � _____________ 1.73 × Voltage �
37.5 kVA × 1,000 _______________ 1.73 × 208 V
� 104 A
PART 2
Review Questions
1. Define the terms primary and secondary as they apply to a transformer winding. 2. On what basis is a transformer classified as being a step-up or step-down type? 3. Explain how the transfer of energy takes place in a transformer. 4. In an ideal transformer, what is the relationship between: a. The turns ratio and the voltage ratio? b. The voltage ratio and current ratio? c. The primary power and secondary power? 5. A step-down transformer with a turns ratio of 10:1 has 120 V AC applied to its primary coil winding. A 3-Ω load resistor is connected across the secondary coil. Assuming ideal transformer conditions, calculate the following: a. Secondary coil winding voltage. b. Secondary coil winding current. c. Primary winding coil current. 6. A step-up transformer has a primary current of 32 A and an applied voltage of 240 V. The secondary coil
52
Chapter 3
7. 8.
9. 10.
11.
12.
Motor Transformers and Distribution Systems
has a current of 2 A. Assuming ideal transformer conditions, calculate the following: a. Power input of the primary winding coil. b. Power output of the secondary winding coil. c. Secondary coil winding voltage. d. Turns ratio What is meant by the term transformer magnetizing, or exciting, current? Why will a fuse placed in series with the primary coil winding protect both the primary and secondary coil winding circuits from excessive current? Is transformer power rated in watts or volt-amperes? Why? A transformer primary winding has 900 turns and the secondary winding has 90 turns. Which winding of the transformer has the larger-diameter conductor? Why? The primary of a transformer is rated for 480 V and the secondary for 240 V. Which winding of the transformer has the larger-diameter conductor? Why? A single-phase transformer is rated for 0.5 kVA, a primary voltage of 480 V, and a secondary voltage of 120 V. What is the maximum full load that can be supplied by the secondary?
PART 3
Transformer Connections
Additive polarity
and Systems
120 V H1
H2
Transformer Polarity Transformer polarity refers to the relative direction or polarity of the induced voltage between the high-voltage and low-voltage terminals of a transformer. An understanding of transformer polarity markings is essential in making three-phase and single-phase transformer connections. Knowledge of polarity is also required to connect potential and current transformers to power metering and protective relays. On power transformers, the high-voltage winding leads are marked H1 and H2 and the low-voltage winding leads are marked X1 and X2 (Figure 3-25). By convention, H1 and X1 have the same polarity, which means that when H1 is instantaneously positive, X1 also is inst antaneously positive. These markings are used in establishing the proper terminal connections when single-phase transformers are connected in parallel, series, and three-phase configurations. In practice, the four terminals on a single-phase transformer are mounted in a standard way so the transformer has either additive or subtractive polarity. Whether the polarity is additive or subtractive depends on the location of the H and X terminals. A transformer is said to have additive polarity when terminal H1 is diagonally opposite terminal X1. Similarly, a transformer has subtractive polarity when terminal H1 is adjacent to terminal X1. Figure 3-26 illustrates additive and subtractive transformer terminal markings along with a test circuit that can be used to verify markings. Also shown is a battery-operated transformer polarity checker that can perform the same test.
High-voltage winding H1 H2 240 V
24 V X1 X2 Low-voltage winding
Figure 3-25
Transformer polarity markings.
Photo courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.
H1
H2 132 V
X2
X1
X2
12 V
Voltmeter reading 120 V 12 V 132 V
X1
Test circuit Subtractive polarity 120 V H1 H1
H2
H2 108 V
X1
X2
X2
12 V
Voltmeter reading 120 V 12 V 108 V
X1
Test circuit
Battery operated transformer polarity checker
Figure 3-26
Additive and subtractive transformer terminal markings. Photo courtesy Tesco, www.tesco-advent.com.
Single-Phase Transformers Motor control transformers are designed to reduce supply voltages to motor control circuits. Most AC commercial and industrial motors are operated from three-phase AC supply systems in the 208- to-600-V range. However, the control systems for these motors generally operate at 120 V. The major disadvantage to higher-voltage control schemes is that these higher voltages can be much more lethal than 120 V. Additionally, on a higher-voltage control system tied directly to the supply lines, when a short circuit occurs in the control circuit a line fuse will blow or a circuit breaker will trip, but may not do so right away. In some cases light-duty contacts, such as those in stop buttons or relay contacts, can weld together before the protective device trips or blows. Step-down control transformers are installed when the control circuit components are not rated for the line voltage. Figure 3-27 shows the typical connection for a step-down motor control transformer. The primary side
PART 3
Transformer Connections and Systems
53
M L1 L2 L3
(H1 and H2) of the control transformer will be the line voltage, while the secondary voltage (X1 and X2) will be the voltage required for the control components. Single-, dual-, and multitap primary control trans formers are available. The versatile dual- and multitap primary transformers allow reduced control power from a variety of voltage sources to meet a wide array of applications. Figure 3-28 shows the connections for a typical dual primary transformer used to step 240 or 480 V down to 120 V. The primary connections on the transformer are identified as H1, H2, H3, and H4. The transformer coil between H1 and H2 and the one between H3 and H4 are rated for 240 V each. The low-voltage secondary connections on the transformer, X1 and X2, can have 120 V from either a 480- or 240-V line. If the transformer is to be used to step 480 V down to 120 V, the primary windings are connected in series by a jumper wire or metal link. When the transformer is to be used to step 240 V down to 120 V, the two primary windings must be connected in parallel with each other. The control transformer secondary can be grounded or ungrounded. Where grounding is provided, the X2 side of the circuit common to the coils must be grounded at the control transformer. This will ensure that an accidental ground in the control circuit will not start the motor, or make the stop button or control inoperative. An additional requirement for all control transformers is that they be
OL T1
Breaker or fused disconnect
T2
Motor
T3 H1
H2
Control transformer
X1
X2 OL
Control options
Figure 3-27
M
Motor control transformer wiring.
Photo courtesy of Superior Panels, www.superiorpanels.com.
L1
L2
L1
L2
480 V
H2
240 V
H3
H4
H4
H2
H3
H1
H1
240 V
240 V
240 V
240 V
X1 X2 120 V
X1 X2 120 V
Series connection for 480 V
Parallel connection for 240 V
Figure 3-28 Typical dual-voltage 480-V and 240-V transformer connections. Photo courtesy Siemens, www.siemens.com.
54
Chapter 3
Motor Transformers and Distribution Systems
CB
M
OL
L1 L2
Motor FU1
FU2
L3
X1
X2
L1
GND Stop
L2
Start
H1
H1
OL
H2
FU3
X2 X2
H2
X2
Primary
M
Fuse protection for both the primary and secondary of the transformer and the correct ground connection for a grounded control system.
X1
H2
M
Figure 3-29
X1
Secondary
L3
H1
L o a d
X1
Wye-wye three-phase transformer connection
Photo courtesy SolaHD, www.solahd.com.
protected by fuses or circuit breakers. Depending on the installation, this protection can be placed on the primary, secondary, or both sides of the transformer. Figure 3-29 shows fuse protection for both the primary and se condary of the transformer and the correct ground connection for a grounded control system. The fuses must be properly sized for the control circuit. Section 430.72 of the Code lists requirements for the protection of transformers used in motor control circuits.
L1 H1
X1 X2
H2
Secondary
Primary H2
L2
H1
H1
X2
X1
H2
L3 Delta-delta three-phase transformer connection
L1 H1
Three-Phase Transformers Large amounts of power are generated and transmitted using high-voltage three-phase systems. Transmission voltages may be stepped down several times before they reach the motor load. This transformation is accomplished using three-phase wye- or delta-connected transformers or a combination of the two. Figure 3-30 illustrates some of the common three-phase wye and delta transformer connections. The connections are named after the way the windings are connected inside the transformer. Polarity markings are fixed on any transformer and the connections are made in accordance with them. The transformers supplying motor loads can be connected on the load (secondary) side either in delta or in wye configuration. Two types of secondary distribution systems commonly used are the three-phase three-wire system and three-phase four-wire system. In both, the secondary voltages are the same for all three phases. The three-phase three-wire delta system is used for balanced loads and consists of three transformer windings connected end to end. Figure 3-31 shows a typical three-phase, three-wire delta transformer
X1
X2
L o a d
X1
H2
X2
Primary L2
X1
H2
H1
H1
X2
H2
X2 Secondary
L o a d
L3 X1 Delta-wye three-phase transformer connection
Figure 3-30 Common wye and delta transformer connections.
I phase
Phase A 480 V AC
I line
Phase B 480 V AC
Line A 480 V AC Line B
Phase C 480 V AC
Threephase motor load
480 V AC
Line C
Figure 3-31
Three-phase, three-wire delta transformer connection supplying power to a three-phase motor load.
PART 3
Transformer Connections and Systems
55
I line
Line A Line B
I phase
Phase B
Phase A
Ground Phase C
Line C
Neutral
Neutral
Available voltages
Figure 3-32
Single phase
Three phase
120 V 277 V
208 V 480 V
Wye-connected, three-phase, four-wire distri-
bution system.
connection supplying power to a three-phase motor load. For a delta-connected transformer: • The phase voltage ( E phase) of the transformer secondary is always the same as the line voltage ( E line) of the load. • The line current ( I line) of the load is equal to the phase current ( I phase) of the transformer secondary multiplied by 1.73. __ √ 3 × × I E line line kVA (transformer) � _______________ 1,000 • The constant 1.73 is the square root of 3 and is used because the transformer phase windings are 120 electrical degrees apart. The other commonly used three-phase distribution is the three-phase, four-wire system. Figure 3-32 shows a typical wye-connected three-phase, four-wire distribution system. The three phases connect at a common point, which is called the neutral. Because of this, none of the windings are affected by the other windings. Therefore, the wye three-phase, four-wire system is used for unbalanced loads. The phases are 120 electrical degrees apart; however, they have a common point. For a Wye transformer connected transformer: • The phase-to-phase voltage is equal to the phase-toneutral voltage multiplied by 1.73. • The line current is equal to the phase current. __
I line × E line × √3 kVA (transformer) � _______________ 1,000
• Common arrangements are 480Y/277 V and 208Y/120 V.
56
Chapter 3
The delta-to-wye configuration is the most commonly used three-phase transformer connection. A typical deltato-wye voltage transformation is illustrated in Figure 3-33. The secondary provides a neutral point for supplying line-to-neutral power to single-phase loads. The neutral point is also grounded for safety reasons. Three-phase loads are supplied at 208 V, while the voltage for singlephase loads is 208 V or 120 V. When the transformer secondary supplies large amounts of unbalanced loads, the delta primary winding provides a better current balance for the primary source. The autotransformer , shown in Figure 3-34, is a transformer consisting of a single winding with electrical connection points called taps. Each tap corresponds to a different voltage so that effectively a portion of the same inductor acts as part of both the primary and secondary winding. There is no electrical isolation between the input and output circuits, unlike the traditional two-winding transformer. The ratio of secondary to primary voltages is equal to the ratio of the number of turns of the tap they connect to. For example, connecting at the 50 percent tap (middle) and bottom of the autotransformer output will halve the input voltage. Because it requires both fewer windings and a smaller core, an autotransformer for some power applications is typically lighter and less costly than a two-winding transformer. A variable autotransformer is one in which the output connection is made through a sliding brush. Variable autotransformers are widely used where adjustable AC voltages are required. An autotransformer motor starter, such as shown in Figure 3-35, reduces inrush motor current by using a three-coil autotransformer in the line just ahead of the motor to step down the voltage applied to the motor terminals. By reducing the voltage, the current drawn from the line is reduced during start-up. During the starting period, the motor is connected to the reduced-voltage taps on the autotransformer. Once the motor has accelerated, it is automatically connected to full-line voltage.
Instrument Transformers Instrument transformers are small transformers used in conjunction with instruments such as ammeters, voltmeters, power meters, and relays used for protective purposes (Figure 3-36). These transformers step down the voltage or current of a circuit to a low value that can be effectively and safely used for the operation of instruments. Instrument transformers also provide insulation between the instrument and the high voltage of the power circuit. A potential (voltage) transformer operates on the same principle as a standard power transformer. The
Motor Transformers and Distribution Systems
L1 L1
L2
B A
Primary
N C
L2
Secondary
L3
L3
A B C H1
H2
H1
2,400 V
X2
120 V
H2
H1
2,400 V
X1
X2
120 V
H2
2,400 V
X1
X2
120 V
X1 (Neutral) N C B A
T3
T2
T1
3
1
1
208-V 3 motor load
208-V 1 motor load
208-V 1 motor load
Figure 3-33
120-V lighting loads
Typical delta-to-wye, three-phase, four-wire transformer configuration.
L1
L2
L3
L1
Start
50% tap Primary Secondary T1
L2
Autotransformer.
T3
Motor
Variable autotransformer
Figure 3-34
T2
Figure 3-35
Autotransformer motor starter.
Photo courtesy Superior Electric, www.superiorelectric.com.
Photo courtesy Rockwell Automation. www.rockwellautomation.com.
main difference is that the capacity of a potential transformer is relatively small compared to power transformers. Potential transformers have typical power ratings of from 100 VA to 500 VA. The secondary low-voltage side
is usually wound for 120 V, which makes it possible to use standard instruments with potential coil ratings of 120 V. The primary side is designed to be connected in parallel with the circuit to be monitored.
PART 3
Transformer Connections and Systems
57
Voltmeter
Potential transformer
Motor Current transformer
Ammeter
Protective relay
Figure 3-36
Instrument transformers.
Photos courtesy Hammond Manufacturing, www.hammondmfg.com.
A current transformer is a transformer that has its primary connected in series with the line conductor. The conductor passes through the center of the transformer, as illustrated in Figure 3-37, and constitutes one primary turn. A current transformer supplies the instrument and/or protective device with a small current that is proportional to the main current. The secondary winding consisting of many turns is designed to produce a standard 5 A when its rated current is flowing in the primary. The secondary circuit of a current transformer should never be opened when there is current in the primary winding. If the secondary is not loaded, this transformer acts to step up the voltage to a dangerous level, because of the high turns ratio. Therefore, a current transformer should always have its secondary shorted when not connected to an external load.
PART 3
Primary
Secondary Ammeter
Secondary
Primary Motor
Figure 3-37
Current transformer.
Photo courtesy ABB, www.abb.com.
Review Questions
1. Explain the way in which the high-voltage and lowvoltage leads of a single-phase power transformer are identified. 2. A polarity test is being made on the transformer shown in Figure 3-38. a. What type of polarity is indicated? b. What is the value of the voltage across the secondary winding?
58
Current transformer
Chapter 3
H1
100 V
90 V
Figure 3-38
Motor Transformers and Distribution Systems
Circuit for review question 2.
