1
Download FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA INGENIERO
Document related concepts
Transcript
UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA “JOSÉ SIMEÓN CAÑAS” MANUAL PRÁCTICO DE LABORATORIO PARA LAS MATERIAS DEL ÁREA DE POTENCIA TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PARA OPTAR AL GRADO DE INGENIERO ELECTRICISTA POR: WILFREDO AUGUSTO LEONOR CARTAGENA JUAN ARNULFO CHAVARRIA URQUILLA JAIME FERNANDO ZEPEDA QUINTANILLA OCTUBRE 2008 ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A. RECTOR JOSE MARIA TOJEIRA, S.J. SECRETARIO GENERAL RENÉ ALBERTO ZELAYA DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA EMILIO JAVIER MORALES QUINTANILLA COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA OSCAR ANTONIO VALENCIA MONTERROSA DIRECTOR DEL TRABAJO ENRIQUE ANDRÉS MATAMOROS LOPEZ LECTOR DORIS MARÍA CALDERÓN DEDICATORIA. Esta tesis la dedico en primer lugar a Dios por haberme permitido finalizar mis estudios universitarios y por haber estado a mi lado en cada dificultad que se me presentó, ya que sin él no estuviera donde me encuentro ahora. También se la dedico a mi mamá Milagro Rosalía Cartagena de Leonor quien me apoyó en todo momento y nunca me dejo solo, a mi papá Wilfredo Arnulfo Leonor Contreras que estuvo a mi lado, a mis abuelos Milagro Martínez de Cartagena y José Juventino Augusto Cartagena que si no los tuviera a mi lado, no estaría presentando esta tesis, a mis hermanos Juan Francisco Leonor Cartagena y Emilio José Leonor Cartagena, y a mi novia Natalia Carolina Deleón Rauda que me ha apoyado hasta el momento en forma incondicional en todos mis problemas y me ha dado su apoyo en todo momento. Y especial agradecimiento al Ing.Matamoros que nos dio su apoyo incondicional para la realización de la tesis. El hombre encuentra a Dios detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir. Wilfredo Augusto Leonor Cartagena. DEDICATORIA. Mi Trabajo de Graduación lo dedico: A DIOS por darme la oportunidad de vivir y el privilegio de ser parte componente de la clase profesional. A mis padres que me dieron la vida y me han apoyado en todas mis decisiones. Gracias por todo papá y mamá por mostrarme el camino a seguir para obtener la superación personal por medio del propio esfuerzo y la dedicación constante. Y aunque hemos atravesado momentos difíciles siempre han estado para mí, apoyándome y brindándome todo su amor y comprensión. A mis hermanos Gloria, Samuel y Delmy, por estar conmigo y apoyarme siempre; no solo por medio del factor económico, que aunque es sumamente importante, se vuelve superficial al compararlo con la infinidad de valiosos y sabios consejos, producto de la propia experiencia personal. Los quiero de todo corazón y este trabajo que me llevó seis meses realizar y el título de Ingeniero Electricista que me tomó cinco años obtener y estoy a punto de recibir son para ustedes. Con esfuerzo y dedicación aquí está lo que ustedes me brindaron, un título de Educación Superior, solamente les estoy devolviendo una parte de lo que ustedes me dieron en un principio. A mis hermanos menores Joel y Verónica, gracias por estar conmigo y apoyarme siempre. A mis profesores por confiar en mí, especialmente al Ingeniero Enrique Matamoros, asesor de este Trabajo de Graduación y la Ingeniera Doris Calderón, lectora de esta Tesis. Gracias por todas las enseñanzas técnicas y los consejos prácticos, herramientas fundamentales en la vida profesional. Y a mis compañeros de Tesis, sin quienes yo no lo hubiese logrado. Tantas desveladas, debates, discusiones y desacuerdos sirvieron de algo y al final acá está el fruto de nuestro esfuerzo. Hemos podido obtener un trabajo digno de un Ingeniero con sello UCA. Juan Arnulfo Chavarría Urquilla. DEDICATORIA Dedicado e inspirado en la voluntad de Dios todopoderoso, quien es el eje principal de mi vida y de todos los que lo amamos; con todo mi cariño, dedico este trabajo tan trascendental a mis padres, doña Reyna y don Jaime quienes con sus consejos, su apoyo incondicional y su amor lograron que en mi surgiera el carácter, el positivismo, la perseverancia y la humildad necesaria para siempre luchar por alcanzar los objetivos de la vida, siempre tomando en cuenta los valores y los principios morales y cristianos inalienables que tiene que tener todo ser humano; también a mis hermanos Patricia y Stanley, por siempre comprenderme y acompañarme en largos momentos de estudio, a la vez por llenarme de ánimos y alegrías en ese camino. A mi abuelo Nicolás que con su humildad y fe me dio lecciones sin costo alguno de lo que es compartir muchas cosas de la vida y en especial un logro como al que ahora se llega; a toda la familia Zepeda y toda la familia Quintanilla que siempre han estado al pendiente de mi carrera, así como los que ya partieron a la presencia del señor. A mi novia Jaqueline que a lo largo de mi carrera, me dio ese aliento y amor que tanto se necesita para lograr culminarla y a toda su familia que siempre estuvo al pendiente. A mis grandes amigos del colegio, la universidad y la colonia, que siempre convirtieron los momentos más duros en momentos alegres y nunca olvidaron a pesar de tener sus problemas que nuestra amistad sobresale por encima de cualquier obstáculo. Al padre Tojeira quien con su amistad y carisma siempre tenia palabras y acciones indicadas en momentos indicados, lo que le agradezco mucho. A mis maestros del Colegio Externado San José y la UCA que sin su conocimiento, guía y experiencia, nunca hubiera sido posible el aprendizaje a lo largo de todos los estos años continuos de estudio que he tenido; muy en especial al Ing. Enrique Matamoros, Ing. Fredy Villalta, Ing. César Villalta y el Ing. Oscar Valencia. También a las autoridades de la Universidad por permitirme desarrollarme como Representante Estudiantil de la Facultad. A la Rama Estudiantil IEEE-UCA y a IEEE Sección El Salvador, que desde el año 2005 ha sido parte importante en mi desarrollo profesional, forjando un sentido de liderazgo y organización en mí, que en el presente ocupo y que en un futuro me servirá. A mis compañeros de tesis Will y Juan, que con esas largas jornadas de trabajo demostraron junto a mí esa tenacidad que nos ayudará en cada una de nuestras vidas. “Aunque vayan mal las cosas como a veces suelen ir, descansar alcazo debes pero nunca DESISTIR”. Jaime Fernando Zepeda Quintanilla RESUMEN EJECUTIVO La creciente necesidad por mantener la teoría y la práctica de la mano, ha llevado a la carrera de Ingeniería Eléctrica a buscar un mayor nivel de integración entre ambas líneas del conocimiento, y así desarrollar mecanismos que permitan un aprendizaje efectivo, aprovechando los recursos que la Universidad pone a disposición de los estudiantes con el fin de relacionar la carrera directamente con la realidad de la Ingeniería aplicada en la especialidad de potencia a nivel nacional; sin dejar a un lado todo tipo de referencias útiles a nuestro sistema, sin importar que provengan de distintos países del mundo. La coordinación de la realización del diseño de proyectos unificadores entre la teoría y la práctica para una misma asignatura, está fundamentada en el nivel de complejidad que cada una de las materias tratadas poseen; en esta oportunidad el departamento de Ciencias Energéticas de la Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas” (UCA) ha mejorado la calidad y el nivel académico con el diseño de este tipo de laboratorios, ya que los mismos benefician a estudiantes, recién graduados y a las mismas empresas que están enfocadas en los trabajos relacionados a la Ingeniería Eléctrica en la rama de potencia. Es de esta manera que surge el proyecto denominado ”Manual Práctico de Laboratorio de Materias del área de Potencia” a sugerencia del catedrático que imparte dichas materias el Ing. Enrique Matamoros, quien relaciona la práctica y la teoría en forma íntima , dando así la importancia que cada una de ellas nos brindan al situarse inmersas dentro de un sistema educativo superior, del cual se espera alta calidad y mucha seguridad a la hora del diseño y análisis de nuevas tecnologías que todo sistema eléctrico de potencia necesita. Este documento explica y elabora los métodos de diseño, seguridad de instalación, medición, prueba y maniobra de instalaciones residenciales, industriales y todo tipo de sistema de distribución de energía que alimente a cargas de baja y media tensión; así como el análisis de los sistemas de emergencia y las protecciones que se implementan en redes eléctricas. La estructura de este trabajo de graduación está conformada por 5 capítulos de exposición. i ii ÍNDICE RESUMEN EJECUTIVO .......................................................................................................................i ÍNDICE DE TABLAS ...........................................................................................................................ix ÍNDICE DE FIGURAS. ........................................................................................................................xi SIGLAS ............................................................................................................................................ xvii PRÓLOGO. ....................................................................................................................................... xix CAPÍTULO 1: INSTALACIONES ELECTRICAS INDUSTRIALES. .................................................... 1 1.1 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 1. ............................................................................ 1 1.1.1 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 1 1.1.2 EXPOSICION .................................................................................................................... 1 1.1.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS..................................................................... 7 1.1.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS ........................................................................ 7 1.1.5 PROCEDIMIENTO ............................................................................................................ 8 1.1.6 CUESTIONARIO ............................................................................................................. 12 1.1.7 ANEXOS.......................................................................................................................... 13 1.2 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 2 ........................................................................... 14 1.2.1 OBJETIVOS .................................................................................................................... 14 1.2.2 EXPOSICIÒN .................................................................................................................. 14 1.2.3 PRUEBA DE CONOCIMIENTOS .................................................................................... 23 1.2.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS ...................................................................... 23 1.2.5 PROCEDIMIENTO .......................................................................................................... 24 1.2.6 CUESTIONARIO ............................................................................................................. 26 1.2.7 ANEXOS.......................................................................................................................... 27 1.3 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 3 ............................................................................ 28 1.3.1 OBJETIVOS .................................................................................................................... 28 1.3.2 EXPOSICION. ................................................................................................................. 28 1.3.3 PRUEBA TEÓRICA DE CONOCIMIENTO ..................................................................... 34 1.3.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS ...................................................................... 34 1.3.5 PROCEDIMIENTO .......................................................................................................... 35 1.3.6 CUESTIONARIO ............................................................................................................. 39 1.3.7 ANEXOS.......................................................................................................................... 40 1.4 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 4. ......................................................................... 41 1.4.1 OBJETIVOS ................................................................................................................... 41 1.4.2 EXPOSICIÒN ................................................................................................................. 41 1.4.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS.................................................................. 45 1.4.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS................................................................... 46 1.4.5 PROCEDIMIENTO ......................................................................................................... 46 1.4.6 CUESTIONARIO. ........................................................................................................... 49 1.4.7 ANEXOS......................................................................................................................... 50 1.5 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 5. ........................................................................... 54 1.5.1 OBJETIVOS ................................................................................................................... 54 1.5.2 EXPOSICIÒN ............................................................................................................ 54 1.5.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS.................................................................. 61 1.5.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS................................................................... 62 1.5.5 PROCEDIMIENTO. ........................................................................................................ 62 1.5.6 CUESTIONARIO. ........................................................................................................... 63 1.5.7 ANEXOS.......................................................................................................................... 64 1.6 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 6 ............................................................................ 65 1.6.1 OBJETIVOS ................................................................................................................... 65 1.6.2 EXPOSICION ................................................................................................................. 65 1.6.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS............................................................. 70 1.6.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS................................................................... 70 1.6.5 PROCEDIMIENTO. ........................................................................................................ 70 1.6.6 CUESTIONARIO. ........................................................................................................... 70 1.6.7 ANEXOS. ........................................................................................................................ 71 1.7 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 7 .......................................................................... 72 1.7.1 OBJETIVOS.................................................................................................................... 72 1.7.2 EXPOSICION.................................................................................................................. 72 1.7.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS .................................................................. 77 1.7.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDO........................................................................ 77 1.7.5 PROCEDIMIENTO .......................................................................................................... 77 1.7.6 CUESTIONARIO ............................................................................................................ 77 1.7.7 ANEXOS ......................................................................................................................... 78 1.8 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 8. .......................................................................... 79 1.8.1 OBJETIVOS..................................................................................................................... 79 1.8.2 EXPOSICION................................................................................................................... 79 1.8.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. .................................................................. 83 1.8.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS ..................................................................... 84 1.8.5 PROCEDIMIENTO .......................................................................................................... 84 1.8.6 CUESTIONARIO. ........................................................................................................... 86 1.8.7 ANEXOS. ......................................................................................................................... 87 1.9 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 9. .......................................................................... 89 1.9.1. OBJETIVOS.................................................................................................................... 89 1.9.2 EXPOSICION.................................................................................................................. 89 1.9.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. ................................................................. 94 1.9.4 MATERIALES Y EQUIPO................................................................................................ 94 1.9.5 PROCEDIMIENTO. ......................................................................................................... 94 1.9.6. CUESTIONARIO. ........................................................................................................... 97 1.9.7 ANEXOS. ......................................................................................................................... 98 CAPITULO 2: SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE ENERGIA ....................................................... 101 2.1 EXPERIEMNTO DE LABORATORIO No 1 .......................................................................... 101 2.1.1 OBJETIVOS................................................................................................................... 101 2.1.2 EXPOSICION................................................................................................................. 101 2.1.3. PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS ................................................................ 106 2.1.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS.................................................................. 107 2.1.5 PROCEDIMIENTO ........................................................................................................ 109 2.1.6 CUESTIONARIO. .......................................................................................................... 111 2.1.7 ANEXOS. ....................................................................................................................... 111 2.2 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 2. ........................................................................ 114 2.2.1 OBJETIVOS................................................................................................................... 114 2.2.2 EXPOSICION................................................................................................................ 114 2.2.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. ............................................................... 120 2.2.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS ................................................................... 120 2.2.5 PROCEDIMIENTO ....................................................................................................... 120 2.2.6 CUESTIONARIO .......................................................................................................... 122 2.2.7 ANEXOS. ..................................................................................................................... 122 2.3. EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 3 ........................................................................ 125 2.3.1 OBJETIVOS.................................................................................................................. 125 2.3.2 EXPOSICIÓN................................................................................................................. 125 2.3.3. PRUEBA TEÓRICA DE CONOCIMIENTOS. ............................................................... 133 2.3.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS ................................................................... 133 2.3.5. PROCEDIMIENTO ...................................................................................................... 134 2.3.6. CUESTIONARIO. ........................................................................................................ 137 2.3.7. ANEXOS. ..................................................................................................................... 137 2.4 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 4 ......................................................................... 140 2.4.1 OBJETIVOS................................................................................................................... 140 2.4.2 EXPOSICIÓN................................................................................................................ 140 2.4.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTO. ................................................................ 148 2.4.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS .................................................................... 148 2.4.5 PROCEDIMIENTO. ...................................................................................................... 148 2.4.6 CUESTIONARIO ........................................................................................................... 149 2.4.7 ANEXOS........................................................................................................................ 150 2.5 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 5. ....................................................................... 153 2.5.1 OBJETIVOS. ................................................................................................................ 153 2.5.2 EXPOSICION ............................................................................................................... 153 2.5.3 PRUEBA TEÓRICA DE CONOCIMIENTOS................................................................ 156 2.5.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS................................................................. 156 2.5.5 PROCEDIMIENTO. ...................................................................................................... 156 2.5.6 CUESTIONARIO. ......................................................................................................... 159 2.5.7 ANEXOS.................................................................................................................. 160 2.6 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 6. ....................................................................... 163 2.6.1 OBJETIVOS. ................................................................................................................ 163 2.6.2 EXPOSICIÓN. .............................................................................................................. 163 2.6.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS................................................................. 167 2.6.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS.................................................................. 168 2.6.5 PROCEDIMIENTO. ...................................................................................................... 168 2.6.5 CUESTIONARIO. ......................................................................................................... 176 2.6.7 ANEXOS........................................................................................................................ 177 2.7 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 7 ......................................................................... 178 2.7.1 OBJETIVOS. ................................................................................................................. 178 2.7.2 EXPOSICIÓN ............................................................................................................... 178 2.7.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS................................................................. 189 2.7.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDO ...................................................................... 190 2.7.5 PROCEDIMIENTO ........................................................................................................ 191 2.7.6 CUESTIONARIO ........................................................................................................... 192 2.7.7- ANEXOS ...................................................................................................................... 193 CAPITULO 3: EQUIPOS Y DISPOSITIVOS INDUSTRIALES........................................................ 197 3.1 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 1. ........................................................................ 197 3.1.1 OBJETIVOS .................................................................................................................. 197 3.1.2 EXPOSICION ................................................................................................................ 197 3.1.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS................................................................. 200 3.1.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS ................................................................... 201 3.1.5 PROCEDIMIENTO ........................................................................................................ 201 3.1.6 CUESTIONARIO. ......................................................................................................... 203 3.1.7 ANEXOS....................................................................................................................... 204 3.2 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 2 ........................................................................ 205 3.2.1 OBJETIVOS .................................................................................................................. 205 3.2.2 EXPOSICION ................................................................................................................ 205 3.2.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS................................................................ 209 3.2.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS................................................................. 210 3.2.5 PROCEDIMIENTO. ...................................................................................................... 210 3.2.6 CUESTIONARIO. .......................................................................................................... 210 3.2.7 ANEXOS....................................................................................................................... 211 3.3 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 3. ........................................................................ 214 3.3.1 OBJETIVO .................................................................................................................... 214 3.3.2 EXPOSICION ............................................................................................................... 214 3.3.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTO ................................................................. 217 3.3.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS ................................................................... 217 3.3.5 PROCEDIMIENTO ...................................................................................................... 218 3.3.6 CUESTIONARIO .......................................................................................................... 218 3.3.7 ANEXOS........................................................................................................................ 219 3.4 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 4 .......................................................................... 220 3.4.1 OBJETIVOS ................................................................................................................. 220 3.4.2 EXPOSICION ............................................................................................................... 220 3.4.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. ............................................................... 225 3.4.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS................................................................. 225 3.4.5 PROCEDIMIENTO. ...................................................................................................... 226 3.4.6 CUESTIONARIO. ......................................................................................................... 226 3.4.7 ANEXOS. ...................................................................................................................... 227 3.5 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 5. ......................................................................... 229 3.5.1 OBJETIVOS................................................................................................................... 229 3.5.2 EXPOSICION................................................................................................................ 229 3.5.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. ............................................................... 234 3.5.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS............................................................... 235 3.5.5 PROCEDIMIENTO. ...................................................................................................... 235 3.5.6 CUESTIONARIO. ......................................................................................................... 235 3.5.7 ANEXOS. ...................................................................................................................... 236 3.6 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 6. ........................................................................ 237 TABLEROS INDUSTRIALES DE MEDIA Y BAJA TENSION..................................................... 237 3.6.1 OBJETIVO ..................................................................................................................... 237 3.6.2 EXPOSICION................................................................................................................ 237 3.6.3 PRUEBA TEÓRICA DE CONOCIMIENTOS ................................................................ 240 3.6.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS ................................................................... 240 3.6.5 PROCEDIMIENTO ........................................................................................................ 241 3.6.6 CUESTIONARIO. ......................................................................................................... 241 3.6.7 ANEXOS ....................................................................................................................... 241 3.7 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 7. ........................................................................ 242 3.7.1 OBJETIVOS............................................................................................................. 242 3.7.2 EXPOSICION................................................................................................................ 242 3.7.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. ............................................................... 247 3.7.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS................................................................. 248 3.7.5 PROCEDIMIENTO. ...................................................................................................... 248 3.7.6 CUESTIONARIO. ......................................................................................................... 249 3.7.7 ANEXOS ....................................................................................................................... 250 CAPITULO 4: PROTECCIONES Y APARATOS DE MANIOBRA DE REDES ELÉCTRICAS ....... 253 4.1 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 1. ....................................................................... 253 4.1.1 OBJETIVOS................................................................................................................. 253 4.1.2 EXPOSICION................................................................................................................ 253 4.1.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. ............................................................... 267 4.1.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS................................................................. 267 4.1.5 PROCEDIMIENTO ....................................................................................................... 267 4.1.6 CUESTIONARIO ........................................................................................................... 268 4.1.7 ANEXOS ....................................................................................................................... 269 4.2 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 2. ....................................................................... 270 4.2.1 OBJETIVOS................................................................................................................... 270 4.2.2 EXPOSICION................................................................................................................ 270 4.2.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. ............................................................... 283 4.2.4 MATERIALES Y EQUPOS REQUERIDOS.................................................................. 284 4.2.5 PROCEDIMIENTO ........................................................................................................ 284 4.2.6 CUESTIONARIO .......................................................................................................... 285 4.2.7 ANEXOS ....................................................................................................................... 285 4.3 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 3. ....................................................................... 286 4.3.1 OBJETIVOS.................................................................................................................. 286 4.3.2 EXPOSICION................................................................................................................ 286 4.3.3 PRUEBA DE CONOCIMIENTOS. ................................................................................ 293 4.3.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS................................................................ 293 4.3.5 PROCEDIMIENTO ........................................................................................................ 293 4.3.6 CUESTIONARIO. ......................................................................................................... 294 4.3.7 ANEXOS ....................................................................................................................... 295 4.4 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 4. ........................................................................ 296 4.4.1 OBJETIVOS ................................................................................................................. 296 4.4.2 EXPOSICION ............................................................................................................... 296 4.4.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS............................................................... 301 4.4.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS................................................................. 301 4.4.5 PROCEDIMIENTO ....................................................................................................... 302 4.4.6 CUESTIONARIO. .......................................................................................................... 304 4.4.7 ANEXOS...................................................................................................................... 305 4.5 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 5. ....................................................................... 306 4.5.1 OBJETIVOS ................................................................................................................. 306 4.5.2 EXPOSICION ............................................................................................................... 306 4.5.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS................................................................ 314 4.5.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS ................................................................... 314 4.5.5 PROCEDIMIENTO ....................................................................................................... 314 4.5.6 CUESTIONARIO. .......................................................................................................... 316 4.6.7 ANEXOS...................................................................................................................... 316 4.6 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 6. ....................................................................... 317 4.6.1 OBJETIVOS ................................................................................................................. 317 4.6.2 EXPOSICION ............................................................................................................... 317 4.6.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS................................................................ 330 4.6.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS................................................................. 331 4.6.5 PROCEDIMIENTO. ...................................................................................................... 331 4.6.6 CUESTIONARIO. ......................................................................................................... 335 4.7 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 7....................................................................... 336 4.7.1 OBJETIVOS ................................................................................................................. 336 4.7.2 EXPOSICION ............................................................................................................... 336 4.7.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS.............................................................. 342 4.7.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS................................................................. 342 4.7.5 PROCEDIMIENTO ....................................................................................................... 342 4.7.6 CUESTIONARIO. .......................................................................................................... 344 4.7.7 ANEXOS....................................................................................................................... 345 CAPITULO 5: DISEÑO DE MODULOS: ......................................................................................... 347 5.1 INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES Y PROTECCIONES Y APARATOS DE MANIOBRA DE REDES ELECTRICAS...................................................................................... 347 5.2 SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y EQUIPOS Y DISPOSITIVOS INDUSTRIALES.......................................................................................................................... 353 CONCLUSIONES............................................................................................................................ 357 REFERENCIAS............................................................................................................................... 359 BIBLIOGRAFÍA. .............................................................................................................................. 361 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Tipo de Cables .................................................................................................................. 24 Tabla 1.2 Combinaciones de Apagadores ........................................................................................ 26 Tabla 1.3 Mediciones ........................................................................................................................ 48 Tabla 1.4.Tipos de conductores eléctricos y sus características...................................................... 50 Tabla 1.5 Capacidades de Conducción de Corriente de cables de baja tensión ............................. 51 Tabla 1.6 Factores de Corrección..................................................................................................... 52 Tabla 1.7 Capacidades de Corriente en Baja Tensión ..................................................................... 52 Tabla 1.8 Factores de Corrección..................................................................................................... 53 Tabla 1.9 Número Máximo de Conductores Aislados en Tubería Conduit....................................... 64 Tabla 1.10 Número de Conductores en Tubo Conduit ..................................................................... 87 Tabla 1.11 Tensiones y Capacidades para las que se fabrican los interruptores termo magnéticos ........................................................................................................................................................... 88 Tabla 1.12 Tarifa 2004 de la energía eléctrica. ................................................................................ 98 Tabla 1.13 Tarifa 2005 de la energía eléctrica. ................................................................................ 99 Tabla 2.1 Factores de Sobrecarga.................................................................................................. 102 Tabla 2.2 Factores de Seguridad.................................................................................................... 103 Tabla 2.3 Distancias Mínimas de Seguridad. ................................................................................. 105 Tabla 2.4 Materiales........................................................................................................................ 108 Tabla 2.5 Distancias Mínimas de Seguridad Conductores ............................................................. 112 Tabla 2.6 Distancias Seguridad Vertical en Soportes..................................................................... 113 Tabla 2.7 Placa de datos Transformador........................................................................................ 122 Tabla 2.8 Materiales Instalación Transformador............................................................................. 124 Tabla 2.9 Valores Normalizados para Corrientes ........................................................................... 127 Tabla 2.10 Nivel básico de Aislamiento .......................................................................................... 128 Tabla 2.11 Conexión de Transformadores ..................................................................................... 131 Tabla 2.12 Mediciones .................................................................................................................... 134 Tabla 2.13 Mediciones .................................................................................................................... 134 Tabla 2.14 Mediciones .................................................................................................................... 135 Tabla 2.15 Elementos según Código .............................................................................................. 139 Tabla 2.16 Tipos Interruptores ........................................................................................................ 141 Tabla 2.17 Tensiones Nominales para Interruptores...................................................................... 144 Tabla 2.18 Corrientes Nominales para Interruptores...................................................................... 144 Tabla 2.19 Niveles de Tensión para Interruptores.......................................................................... 145 Tabla 2.20 Tiempos de Interrupción ............................................................................................... 146 Tabla 2.21 Mediciones .................................................................................................................... 157 Tabla 2.22 Mediciones Transformador ........................................................................................... 158 Tabla 2.23 Mediciones………………………………………………………………………………….....160 Tabla 2.24 Mediciones .................................................................................................................... 158 Tabla 2.25 Características .............................................................................................................. 163 Tabla 2.26 Transformadores Monofásicos ..................................................................................... 164 Tabla 2.27 Características de Transformadores............................................................................. 168 Tabla 2.28 Mediciones Transformadores........................................................................................ 170 Tabla 2.29 Mediciones en Transformadores .................................................................................. 172 Tabla 2.30 Mediciones .................................................................................................................... 175 Tabla 2.31 Voltajes Medidos........................................................................................................... 189 Tabla 2.32 Condiciones Normales de Operación .......................................................................... 190 Tabla 3.1 Valores de Resistividad................................................................................................... 211 Tabla 3.2 Potencia Media Anual de Temperatura Ambiente .......................................................... 223 Tabla 3.3 Datos Técnicos Transformador Pad Mounted ................................................................ 228 Tabla 3.4 Eficacia Luminosa ........................................................................................................... 250 Tabla 3.5 Equivalente de salida de luz ........................................................................................... 251 ix Tabla 4.1 Capacidad de fusibles .................................................................................................... 269 Tabla 4.2 Mediciones a Realizar .................................................................................................... 285 Tabla 4.3 Características de Autotransformador ............................................................................ 321 Tabla 4.4 Mediciones ..................................................................................................................... 335 Tabla 4.5 Pérdidas en los Conductores en Porcentajes. ............................................................... 339 Tabla 4.6 Mediciones en Motor Estándar....................................................................................... 343 Tabla 4.7 Mediciones en Motor Alta Eficiencia .............................................................................. 344 Tabla 4.8 Distribución típica de perdidas en los motores .............................................................. 345 Tabla 4.9 Eficiencia nominal de motores trifásicos de inducción de alta eficiencia........................ 345 x ÍNDICE DE FIGURAS. Figura 1.1 Interruptor diferencial. ........................................................................................................ 6 Figura 1. 2 Interruptor diferencial con derivación a tierra. .................................................................. 6 Figura 1. 3 Circuito equivalente que forma el cuerpo cuando toca una línea. .................................. 8 Figura 1. 4 Circuito Cerrado con el cuerpo humano. .......................................................................... 9 Figura 1. 5 Circuito Trifásico en Conexión estrella con Neutro ........................................................ 10 Figura 1. 6 Circuito con lámpara de Neón Probador ........................................................................ 12 Figura 1. 7 Esquema eléctrico para un sistema unifamiliar .............................................................. 13 Figura 2. 1 Simbología eléctrica Figura 2. 2 Símbolo del Amperímetro Figura 2. 3 Circuito básico para medir Voltaje Figura 2. 4 Circuito en Serie para medición Figura 2. 5 Circuito en paralelo para medición Figura 2. 6 Circuito en paralelo con apagadores Figura 2. 7. Tomacorrientes. 16 17 18 25 25 25 27 Figura 3. 1 Tubo Conduit Metálico Rígido......................................................................................... 29 Figura 3. 2 Cambios de dirección con tubo Conduit. ........................................................................ 30 Figura 3. 3 Atornillado de caja metálica ............................................................................................ 35 Figura 3. 4 Enguiado de Cable usando punta. ................................................................................ 36 Figura 3. 5 Diagrama de Línea Unifilar ............................................................................................. 37 Figura 3. 6 Diagrama de Alambrado con alimentación para el Switch a Apagador ......................... 37 Figura 3. 7 Apagador de tres vías..................................................................................................... 38 Figura 3. 8 Diagrama de disposición y alambrado de tres lámparas................................................ 39 Figura 3. 9 Instalación Residencial Típica Urbana ........................................................................... 40 Figura 4. 1 Alambre........................................................................................................................... 42 Figura 4. 2 Cable............................................................................................................................... 42 Figura 4. 3 Mono conductor .............................................................................................................. 43 Figura 4. 4 Multiconductor................................................................................................................. 43 Figura 5. 1 Tubo Conduit para pared delgada .................................................................................. 56 Figura 5. 2 Coraza Metálica .............................................................................................................. 57 Figura 5. 3 Registro Condulet ........................................................................................................... 58 Figura 5. 4 Ductos ............................................................................................................................. 60 Figura 5. 5 Escalerías ....................................................................................................................... 61 Figura 6. 1 Control de deflexión ........................................................................................................ 65 Figura 6. 2 Pozos de Registro........................................................................................................... 68 Figura 6. 3 Dimensiones de pozos de registro ................................................................................ 69 Figura 6. 4 Tuberías Instaladas ........................................................................................................ 71 Figura 6. 5 Posiciones de tubería en pozos de Registro .................................................................. 71 Figura 7. 1 Cyber Café ..................................................................................................................... 78 Figura 8. 1 Tablero Principal 85 Figura 9. 1 Medidor de Consumo eléctrico Figura 9. 2 Contador analógico Figura 9. 3 Lectura de contador Figura 9. 4 Ejercicio de contadores 89 91 93 94 xi Figura 9. 5 Contador residencial. Figura 9. 6 Diagrama de conexiones de un sistema eléctrico residencial Figura 9. 7 Lectura de medidores Figura 10. 1 Espaciamientos Figura 10. 2 Transformadores Monofásicos Figura 10. 3 Equipos de Seguridad 95 96 97 107 110 111 Figura 11. 1 Sistemas Radiales ...................................................................................................... 116 Figura 11. 2 Sistemas Anillados...................................................................................................... 116 Figura 11. 3 Interruptor de potencia ................................................................................................ 118 Figura 11. 4 Seccionador. ............................................................................................................... 119 Figura 11. 5 Transformador Monofásico ......................................................................................... 121 Figura 11. 6 Fusible......................................................................................................................... 123 Figura 11. 7 Reconectador. ............................................................................................................. 123 Figura 12. 1 Circuito Equivalente .................................................................................................... 132 Figura 12. 2 Transformadores de Medición .................................................................................... 136 Figura 12. 3 Transformadores de Corriente. ................................................................................... 137 Figura 12. 4 Modelo de Transformador.......................................................................................... 138 Figura 13. 1 Interruptor de Aceite.................................................................................................... 141 Figura 13. 2 Estructura de un Interruptor. ....................................................................................... 142 Figura 13. 3 Interruptor de Hexafloruro de Azufre (SF6) ................................................................. 143 Figura 13. 4 Dimensiones Interruptor Tripolar................................................................................. 150 Figura 13. 5 Estructura Interruptor Tripolar ..................................................................................... 151 Figura 13. 6 Interruptor.................................................................................................................... 152 Figura 13. 7 Transformador de Corriente........................................................................................ 152 Figura 14. 1 Razón de Transformación........................................................................................... 154 Figura 14. 2 Transformador Monofásico ......................................................................................... 157 Figura 14. 3 Transformador Monofásico con Pararrayos................................................................ 160 Figura 14. 4 Transformador Monofásico ......................................................................................... 161 Figura 14. 5 Transformador en Poste ............................................................................................. 162 Figura 14. 6 Diferencia Angular....................................................................................................... 166 Figura 14. 7 Placa de Transformador.............................................................................................. 167 Figura 14. 8 Transformador de 10 KVA .......................................................................................... 169 Figura 14. 9 Conexión Delta-Estrella .............................................................................................. 169 Figura 14. 10 Transformador de 10 KVA ........................................................................................ 171 Figura 14. 11 Conexión Delta- Delta ............................................................................................... 171 Figura 14. 12 Transformador de 10 KVA ........................................................................................ 173 Figura 14. 13 Conexión Estrella Abierto-Delta Abierto ................................................................... 174 Figura 14. 14 Banco Trifásico Montado en Poste .......................................................................... 177 Figura 15. 1 Subestación................................................................................................................. 179 Figura 15. 2 Subestación con un juego de barras en anillo, con tres aparatos de corte y con paso directo. ............................................................................................................................................. 182 Figura 15. 3 Subestación con un juego de barras en anillo, con cuatro aparatos de corte y seccionadores de seccionamiento de barras................................................................................... 182 Figura 15. 4 Esquema con un interruptor y medio por salida ........................................................ 183 Figura 15. 5 Disposición de fases asociadas ................................................................................. 183 xii Figura 15. 6 Disposición de fases separadas ................................................................................. 184 Figura 15. 7 Disposición de fases mixtas........................................................................................ 184 Figura 15. 8 Simbología Diagramas Unifilares. .............................................................................. 188 Figura 15. 9 Subestación Típica Rural............................................................................................ 193 Figura 15. 10 Subestación de Potencia .......................................................................................... 194 Figura 15. 11 Subestación de Potencia Montserrat....................................................................... 195 Figura 15. 12 Subestación de Potencia Montserrat....................................................................... 195 Figura 16. 1 Desconectador de Operación ..................................................................................... 202 Figura 16. 2 Seguridad Personal .................................................................................................... 204 Figura 16. 3 Señalización de Riesgo .............................................................................................. 204 Figura 17. 1 Medición de Tierras .................................................................................................... 207 Figura 17. 2 Material para Tratado de Tierras ................................................................................ 209 Figura 17. 3 Molde de Soldadura................................................................................................... 213 Figura 17. 4 Soldadura ya Terminada............................................................................................. 213 Figura 18. 1 Subestación en Poste ................................................................................................ 216 Figura 18. 2 Subestación en Poste ................................................................................................ 219 Figura 18. 3 Estructura en H ........................................................................................................... 219 Figura 19. 1 Capacidad de Sobrecarga ......................................................................................... 222 Figura 19. 2 Transformador Seco ................................................................................................... 223 Figura 19. 3 Partes de un Transformador tipo Pad Mounted ......................................................... 225 Figura 19. 4 Transformador Pad Mounted...................................................................................... 227 Figura 19. 5 Placa de Transformador Pad Mounted....................................................................... 227 Figura 19. 6 Parte Interna Transformador Pad Mounted ................................................................ 228 Figura 20. 1 Diagrama Unifilar Planta de Emergencia.................................................................... 234 Figura 20. 2 Diagrama de Bloques Sistema Eléctrico ................................................................... 236 Figura 20. 3 Planta de Emergencia................................................................................................. 236 Figura 21. 1 Tableros ...................................................................................................................... 238 Figura 21. 2 Tablero ........................................................................................................................ 238 Figura 21. 3 Tablero Distribución .................................................................................................... 239 Figura 21. 4 Tablero de Control ...................................................................................................... 240 Figura 22. 1 Esquema de conexiones............................................................................................. 243 Figura 22. 2 Lámpara Compacta .................................................................................................... 246 Figura 22. 3 Lámpara con Balasto. ................................................................................................. 249 Figura 22. 4 Lámpara Fluorescente ................................................................................................ 250 Figura 23. 1 Fusibles....................................................................................................................... 255 Figura 23. 2 Curva Intensidad Nominal.......................................................................................... 258 Figura 23. 3 Fusibles Diazed ......................................................................................................... 259 Figura 23. 4 Fusibles Cartucho ...................................................................................................... 260 Figura 23. 5 Casquillos ................................................................................................................... 260 Figura 23. 6 Cartuchos.................................................................................................................... 261 Figura 23. 7 Pinzas ......................................................................................................................... 261 Figura 23. 8 Tipos de Cartuchos..................................................................................................... 262 xiii Figura 23. 9 Interruptor MCCB ........................................................................................................ 263 Figura 23. 10 Corriente en Arranque.............................................................................................. 266 Figura 23. 11 Interruptor MCCB ...................................................................................................... 268 Figura 24. 1 Relé Térmico ............................................................................................................... 271 Figura 24. 2 Disparo por Fallo de Fase........................................................................................... 272 Figura 24. 3 Curva Característica de un relé ................................................................................. 273 Figura 24. 4 Curva Característica Relé Electrónico ........................................................................ 274 Figura 24. 5 PTC ............................................................................................................................. 275 Figura 24. 6 Curva Típica de un Termistor...................................................................................... 276 Figura 24. 7 Curva Corriente-Tiempo.............................................................................................. 277 Figura 24. 8 Termistores NTC ........................................................................................................ 278 Figura 24. 9 Curva de Resistores según Temperatura. ................................................................. 280 Figura 24. 10 Curva Intensidad ....................................................................................................... 281 Figura 24. 11 Curva protección de Motores .................................................................................... 282 Figura 24. 12 Termistor en el Bobinado del Motor.......................................................................... 283 Figura 24. 13 Diagrama de arranque motor trifásico. .................................................................... 284 Figura 24. 14 Relé Térmico ............................................................................................................. 285 Figura 25. 1 Motor Eléctrico. ........................................................................................................... 288 Figura 25. 2 Conexión Delta 6 Puntas ............................................................................................ 289 Figura 25. 3 Conexión Delta 9 Puntas ............................................................................................ 290 Figura 25. 4 Conexión Estrella 6 Puntas......................................................................................... 290 Figura 25. 5 Conexión Estrella 9 Puntas......................................................................................... 291 Figura 25. 6 Conexión de Motores con 6 puntas ........................................................................... 291 Figura 25. 7 Conexión de Motores con 9 Puntas........................................................................... 292 Figura 25. 8 Partes de un Motor..................................................................................................... 295 Figura 26. 1 Figura 26. 2 Figura 26. 3 Figura 26. 4 Motor Eléctrico ........................................................................................................... 302 Motor Eléctrico Desarmado........................................................................................ 304 Multímetro .................................................................................................................. 305 Growler...................................................................................................................... 305 Figura 27.1 Anillos del Rotor .......................................................................................................... 306 Figura 27. 2 Falso Contacto Severo............................................................................................... 308 Figura 27. 3 Excentricidad Estática................................................................................................ 313 Figura 27. 4 Excentricidad Dinámica.............................................................................................. 313 Figura 27. 5 Arranque Directo ........................................................................................................ 315 Figura 27. 6 Ensayos Generales..................................................................................................... 316 Figura 28. 1 Conexión Motor Asíncrono Trifásico .......................................................................... 319 Figura 28. 2 Curva Arranque Directo .............................................................................................. 319 Figura 28. 3 Arranque Directo ........................................................................................................ 320 Figura 28. 4 Parámetros de Motor con Arranque Tipo Autotransformador.................................... 322 Figura 28. 5 Conexión Estrella-Triángulo....................................................................................... 324 Figura 28. 6 Arrancador Estrella-Delta........................................................................................... 325 Figura 28. 7 Curvas Comparativas entre Conexión Estrella y Delta.............................................. 326 Figura 28. 8 Curva Tipos de Arranque ........................................................................................... 327 Figura 28. 9 Curva Arranque Suave............................................................................................... 327 Figura 28. 10 Arranque a través de una Rampa de Voltaje........................................................... 328 Figura 28. 11 Arranque con Limitación de Corriente ..................................................................... 329 Figura 28. 12 Curvas de Paro de un Arrancador Suave ................................................................ 330 xiv Figura 28. 13 Arranque por Autotransformador ............................................................................. 332 Figura 28. 14 Esquema de Control ................................................................................................ 333 Figura 28. 15 Arranque Directo...................................................................................................... 334 Figura 29. 1Diagrama de Arranque Directo .................................................................................... 343 Figura 30. 1 Figura 30. 2 Figura 30. 3 Figura 30. 4 Figura 30. 5 Figura 30. 6 Figura 30. 7 Figura 30. 8 Vista Frontal............................................................................................................... 347 Vista Lateral módulo. ................................................................................................. 348 Vista superior módulo. ............................................................................................... 348 Módulo Completo....................................................................................................... 349 Acabado final módulo. ............................................................................................... 350 Módulo con gavetas.................................................................................................. 351 Riel. ............................................................................................................................ 352 Módulo con rieles....................................................................................................... 352 Figura 31. 1 Diseño de módulo. ...................................................................................................... 354 xv xvi SIGLAS NEC National Electrical Code. Rn: Tierra del neutro. Id: Corriente de falla. Pe: conductor de protección. Ru: Tierra de utilización. Ic: Corriente en el cuerpo. AWG: American Wire Gauge fem : Fuerza electromotriz.. PVC Cloruro de polivinilo SIGET: Superintendencia general de electricidad y telecomunicaciones. BIL: Nivel básica de Aislamiento AAC: Conductor todo de aluminio. ACSR : Conductor de aluminio con alma de acero.. NBI: Nivel básico de asilamiento al impulso. NBS: Nivel básico de aislamiento al impulso por maniobra de interruptores. VAR: .Voltios, amperios, reactivos. NOM: Norma Oficial mexicana. CFE: Comisión federal de electricidad. IEEE: Instituto de ingenieros electrónicos y electricistas xvii xviii PRÓLOGO. En el presente trabajo se desarrolla un modelo innovador de respaldo a la metodología de enseñanza tradicional en las materias impartidas en el área de Potencia, se busca la optimización de los conocimientos técnicos por medio de la implementación de la teoría básica a la práctica a través de la creación de Laboratorios que cuenten con los recursos tecnológicos más avanzados y que actualmente son utilizados en Instalaciones Eléctricas reales. Lo anterior se llevará a cabo mediante la creación de un Manual de Laboratorio que cubra las materias impartidas en el área de potencia y que cuente con los estándares de calidad que el propio medio laboral y más específicamente industrial exige, por lo tanto la información ahí recolectada estará basada en conocimiento previo y personal de los autores de dicha Tesis al ser participantes activos del Mercado Laboral actual. Además, en busca de una optimización completa de los conocimientos teórico-prácticos, se diseñarán y entregarán los modelos físicos con que dichos Laboratorios técnicos deben contar. El documento consta de cinco capítulos, en los cuáles se presentan distribuidos por materias, toda la información teórica y práctica elaborada en formato de guías de trabajo orientadas a la máxima comprensión del interesado; y por último se presenta el capítulo cinco en donde aparecen los diseños de montaje e instalación del equipo físico en el área designada para cada Laboratorio, así como los planos de los módulos de trabajo. En el capítulo uno, se desarrollan todas las guías de trabajo para la materia de Instalaciones Eléctricas Industriales. Dando al estudiante la información de normas de seguridad, elementos de una instalación eléctrica y diseño de la misma. En el capítulo dos, se desarrollan todas las guías de trabajo para la materia de Sistemas de Distribución de Energía. Proporcionando conceptos básicos utilizados, entre los cuales se encuentran: voltajes de generación, distribución, transmisión y normas de diseño de líneas de transmisión. En el capítulo tres, se desarrollan todas las guías de trabajo para la materia de Equipos y Dispositivos Industriales. Se exponen los fundamentos para el diseño y montaje de tableros eléctricos, redes de tierra y subestaciones. En el capítulo cuatro, se desarrollan todas las guías de trabajo para la materia de Protecciones y Aparatos de Maniobra; en las cuales se desarrollan los siguientes temas: fusibles, relés, guardamotores, arranque de motores y nociones básicas de mantenimiento preventivo y correctivo de motores. En capitulo 5, se desarrollan los modelos físicos de los módulos de trabajo a utilizarse en cada uno de los Laboratorios diseñados para las Materias del área de Potencia. xix xx CAPÍTULO 1: INSTALACIONES ELECTRICAS INDUSTRIALES. 1.1 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 1. NORMAS DE SEGURIDAD ELECTRICA Y HERRAMIENTAS. 1.1.1 OBJETIVOS • Aprender las reglas fundamentales de seguridad a seguir a la hora de realizar instalaciones eléctricas. • Conocer las herramientas más adecuadas a utilizar al momento de realizar una instalación eléctrica manteniendo las normas de seguridad. 1.1.2 EXPOSICION A ESTUDIANTES, INSTRUCTORES Y MAESTROS: Cuando se está trabajando con electricidad o equipos mecánicos se deben seguir ciertas normas para no poner en riesgo nuestra seguridad y la de las personas que nos rodean y colaboran con la labor que se está realizando. Antes que nada se debe contar con un BOTIQUIN DE PRIMEROS AUXILIOS y absolutamente todos los usuarios de ese laboratorio deben conocer el lugar en que se encuentra. Se debe insistir a los estudiantes que en cualquier situación anómala que se presente en sus prácticas y que pueda poner en riesgo el bienestar del grupo sea notificado con prontitud al maestro o instructor, ya que el está capacitado para dar una solución que garantice el buen funcionamiento del equipo y la seguridad física y psicológica de los estudiantes. Mientras el estudiante siga las instrucciones expuestas por su maestro o instructor no correrá peligro durante la realización de su práctica. Cada año numerosas personas sufren choques eléctricos que pueden ser inclusive fatales. La corriente eléctrica puede causar serios daños físicos aún en cantidades de milésimas de amperios. Es absolutamente necesario que cualquier persona que trabaje con electricidad aplique estrictamente las normas de seguridad. La electricidad puede ser peligrosa o incluso fatal para quienes no entienden o no practican las reglas básicas de seguridad. Se registran muchos accidentes fatales con electricidad, entre personas bien preparadas que, por un exceso de confianza o descuido violan las reglas fundamentales de seguridad personal. 1 En todo el mundo han ocurrido accidentes que pueden ir desde pérdidas económicas hasta tragedias personales por el uso incorrecto de las herramientas destinadas para la elaboración de instalaciones eléctricas. Como futuro ingeniero debe saber que la principal regla de seguridad personal a cumplir a la hora de trabajar con electricidad es pensar primero. Como señalan las estadísticas de diversos Cuerpos de Bomberos, las instalaciones eléctricas inadecuadas aparecen entre las principales causas de incendios en el mundo entero. Por eso, nunca estará de más afirmar que la estructura de los sistemas eléctricos merece ser cuidadosamente observada y comprendida, a fin de minimizar riesgos y economizar energía que se traduce en menos costos variables dentro de su empresa. Los riesgos representados por la electricidad son de diversos tipos. Entre ellos merecen citarse: a) Descarga a través de un ser humano. b) Causa de un incendio o explosión. RIESGOS DE LA ELECTRICIDAD Riesgos de incendios por causas eléctricas Los incendios provocados por causas eléctricas son muy frecuentes. Ellos ocurren por: • Sobrecalentamiento de cables o equipos bajo tensión debido a sobrecarga de los conductores. • Sobrecalentamiento debido a fallas en termostatos o fallas en equipos de corte de temperatura. • Fugas debidas a fallas de aislamiento. • Auto ignición debida a sobrecalentamiento de materiales inflamables ubicados demasiado cerca o dentro de equipos bajo tensión, cuando en operación normal pueden llegar a estar calientes. • Ignición de materiales inflamables por chispas o arco. Shock Eléctrico Un shock eléctrico puede causar desde una sensación de cosquilleo hasta un desagradable estímulo doloroso resultado en una pérdida total del control muscular y llegar a la muerte. 2 La protección contra el shock eléctrico se consigue usando: • Equipos de maniobra con baja tensión. • La doble aislación o la construcción aislada • Las conexiones a tierra y la protección por equipos de desconexión automática • La separación eléctrica entre las fuentes y la tierra. Frecuentemente se usan adaptadores de enchufes. Tenga siempre en cuenta que cuando se usan estos aditamentos Puede desconectarse la tierra del equipo que está usando. Control de los riesgos eléctricos Los factores principales a considerar son: • El diseño seguro de las instalaciones. • El diseño y construcción de los equipos de acuerdo a normas adecuadas. • La autorización de uso después que se ha comprobado que es seguro. • El mantenimiento correcto y reparaciones. • Las modificaciones que se efectúen se realicen según normas. Las precauciones generales contra el shock eléctrico son: • Selección del equipo apropiado y el ambiente adecuado. • Buenas prácticas de instalación. • Mantenimiento programado y regular del equipo instalado. • Uso de acuerdo a las instrucciones del fabricante. A) Descarga a través de un ser humano: Si un individuo no aislado toca uno de los polos de un conductor la electricidad se descargará a tierra a través de su cuerpo. En cambio, si el contacto de realiza simultáneamente con los dos polos del conductor, el cuerpo del individuo servirá para cerrar el circuito. La magnitud del daño producido por una descarga eléctrica depende de la intensidad de la corriente (Amperaje), de la duración de la misma y de la trayectoria recorrida en el cuerpo del sujeto. Dado que en el momento de la descarga eléctrica el individuo pasa a formar parte del circuito hay que tener en cuenta otros factores tales como su mayor o menor conductividad, por 3 ejemplo, el estado de humedad de la piel influye, ya que si ésta está mojada disminuye su resistencia al paso de la corriente, es decir que el sujeto se vuelve mejor conductor. El peligro de muerte es mayor cuando la corriente eléctrica atraviesa órganos vitales en su paso por el individuo: corazón (fibrilación), pulmones, sistema nervioso (paro respiratorio). B) Causa de un incendio o explosión: Se ha visto que uno de los fenómenos que acompaña el paso de corriente a través de un conductor es la producción de calor (efecto Joule), que es mayor cuanto más grande sea la resistencia del conductor y/o la corriente eléctrica. Si este fenómeno se produce en instalaciones eléctricas de gran resistencia, es particularmente peligroso si están presentes en la misma zona materiales fácilmente inflamables. NORMAS BASICAS DE SEGURIDAD Las normas básicas de seguridad son un conjunto de medidas destinadas a proteger la salud de todos, prevenir accidentes y promover el cuidado del material de los laboratorios. Son un conjunto de prácticas de sentido común: el elemento clave es la actitud responsable y la concientización de todos: personal y alumnado. RESPÈTELAS Y HÁGALAS RESPETAR. Se deberá conocer la ubicación de los elementos de seguridad en el lugar de trabajo, tales como: extintores, salidas de emergencia, accionamiento de alarmas, etc. Observar de qué tipo (A, B o C) es cada extintor ubicado en el departamento de Ciencias Energéticas y Fluídicas, y verificar qué material combustible -papel, madera, pintura, material eléctrico- se puede apagar con él. Por ejemplo, nunca usar un extintor tipo A (sólo A) para apagar fuego provocado por un cortocircuito. Extintor Tipo A: Sirven para fuego de materiales combustibles sólidos (madera, papel, tela, etc.) Extintor Tipo B: Para fuego de materiales combustibles líquidos (nafta, kerosene, etc.). Extintor Tipo C: Para fuegos en equipos eléctricos (artefactos, tableros, etc.). Existen extintores que sirven para los tres tipos de fuegos. Generalmente son de polvo. En caso de un fuego de tipo C, si se corta la corriente eléctrica se transforma en uno de tipo A. El agua en general apaga fuegos de tipo A. La arena sirve para apagar fuegos de tipo B. 4 Precauciones necesarias: • No se deben bloquear las rutas de escape o pasillos con equipos, mesas, máquinas u otros elementos que entorpezcan la correcta circulación. • Es indispensable recalcar la prudencia y el cuidado con que se debe manipular todo aparato que funcione con corriente eléctrica. • Nunca debe tocar un artefacto eléctrico si usted está mojado o descalzo. • No se permitirán instalaciones eléctricas precarias o provisorias. Se dará aviso inmediato al encargado de laboratorio en caso de filtraciones o goteras que puedan afectar las instalaciones o equipos y puedan provocar incendios por cortocircuitos. • Es imprescindible mantener el orden y la limpieza. Cada persona es responsable directa del lugar donde está trabajando y de todos los lugares comunes. • Todo material corrosivo, tóxico, inflamable, oxidante, radiactivo, explosivo o nocivo deberá estar adecuadamente etiquetado. La corriente eléctrica como factor de accidentes y lesiones Es imprescindible la concientización del riesgo que engendra la corriente eléctrica. Ya que si bien no es la mayor fuente de accidentes, se trata generalmente de accidentes graves, en muchos casos mortales. Para evitar accidentes y proteger a los usuarios, se utilizan dispositivos de seguridad, entre los cuales podemos mencionar el interruptor diferencial. Para la selección de éste deben tomarse en cuenta las disposiciones descritas en los artículos 240-8 y 240-14 del NEC. Dispositivos de desconexión automática. Interruptor diferencial: Un interruptor diferencial, también llamado disyuntor por corriente diferencial o residual, es un dispositivo electromecánico que se coloca en las instalaciones eléctricas con el fin de proteger a las personas de las derivaciones causadas por faltas de aislamiento entre los conductores activos y tierra o masa de los aparatos. En esencia, el interruptor diferencial consta de dos bobinas, colocadas en serie con los conductores de alimentación de corriente y que producen campos magnéticos opuestos y un núcleo o armadura que mediante un dispositivo mecánico adecuado puede accionar unos contactos. 5 Figura 1.1 Interruptor diferencial. Figura 1. 2 Interruptor diferencial con derivación a tierra. Si nos fijamos en la Figura 1.1, vemos que la intensidad (I1) que circula entre el punto a y la carga debe ser igual a la (I2) que circula entre la carga y el punto b (I1 = I2) y por tanto los campos magnéticos creados por ambas bobinas son iguales y opuestos, por lo que la resultante de ambos es nula. Éste es el estado normal del circuito. Si ahora nos fijamos en la Figura 1.2, vemos que la carga presenta una derivación a tierra por la que circula una corriente de fuga (If), por lo que ahora I2 = I1 - If y por tanto menor que I1. Es aquí donde el dispositivo desconecta el circuito para prevenir electrocuciones, actuando bajo la presunción de que la corriente de fuga circula a través de una persona que está conectada a tierra y que ha entrado en contacto con un componente eléctrico del circuito. 6 La diferencia entre las dos corrientes es la que produce un campo magnético resultante, que no es nulo y que por tanto producirá una atracción sobre el núcleo N, desplazándolo de su posición de equilibrio, provocando la apertura de los contactos C1 y C2 e interrumpiendo el paso de corriente hacia la carga, en tanto no se rearme manualmente el dispositivo una vez se haya corregido la avería o el peligro de electrocución. Aunque existen interruptores para distintas intensidades de actuación, el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión exige que en las instalaciones domésticas se instalan normalmente interruptores diferenciales que actúen con una corriente de fuga máxima de 30 mA y un tiempo de respuesta de 50 ms, lo cual garantiza una protección adecuada para las personas y cosas. Se dice que se considera un interruptor diferencial de alta sensibilidad cuando el valor de la corriente es igual o inferior a 30 miliamperios. 1.1.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS • Enuncie 5 normas de seguridad que deben seguirse a la hora de hacer una instalación eléctrica. • ¿Cuáles son los riesgos que representa la electricidad si no se le usa adecuadamente? • ¿Cuál es la principal regla de seguridad personal? • Explique qué podría pasar si quita la punta de tierra de un enchufe de entrada de tres alambres. • Al entrar en una zona industrial. ¿Cuál es el equipo que por normas de seguridad debe usar? • ¿Puede confiar su vida a los dispositivos de seguridad tales como fusibles, relevadores y sistemas de cierre? Explique. 1.1.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS • 1 Interruptor diferencial de sensibilidad 500 mA. • 1 Portalámparas. • 1 Lámpara de 150 W a 220 V. • Cable eléctrico tipo AWG número 12 • 1 Amperímetro. • 1 Voltímetro. • 1 Wattímetro. • 1 Clamper. • Tubo Conduit de ½ plg. 7 1.1.5 PROCEDIMIENTO En los siguientes casos se pone a prueba la seguridad personal. Todos ellos representan situaciones en las cuales, si no se toman en cuenta las normas de seguridad, sin lugar a duda nos enfrentaremos en algún momento de nuestra vida. El instructor debe explicar cada una de las situaciones haciendo énfasis en cual norma de seguridad está siendo irrespetada, al mismo tiempo realizará preguntas acerca de lo expuesto para identificar la comprensión por parte del alumno. PARTE A. CONOCIMIENTO TEORICO. CASOS EN QUE SE PONE A PRUEBA LA SEGURIDAD. En la siguiente figura: Ri representa la resistencia de distintas partes del cuerpo humano, Zp es la impedancia de contacto entre la mano y el conductor energizado, que eléctricamente equivale a un circuito formado por un condensador y una resistencia en paralelo. Figura 1. 3 Circuito equivalente que forma el cuerpo cuando toca una línea. 8 Preguntas de comprensión: • ¿Cuál es la resistencia del cuerpo humano? • ¿Qué valor de corriente puede ser fatal, si la piel se encuentra húmeda? • Explicar por qué razón la impedancia entre la mano y el conductor energizado eléctricamente equivale a un circuito formado por un condensador en paralelo a una resistencia. • En caso de falla, el suelo es un conductor sobre una malla que permite el paso de la corriente Ic, esta corriente circula por el cuerpo de la persona hacia tierra. ¿Qué la limita? • ¿A cuántos volts, hay peligro de electrocución en este caso? Figura 1. 4 Circuito Cerrado con el cuerpo humano. Rn= Tierra del neutro. Ru= Tierra de utilización. Id= Corriente de falla. Ic= Corriente en el cuerpo. Pe= Conductor de protección. 9 La corriente en el cuerpo (Ic) es función de la tensión de contacto (Vc) y de la resistencia del cuerpo (Rc), como se muestra en la figura anterior. PARTE B. REALIZACION PRÁCTICA. Para la realización del siguiente circuito. Suponga: Una casa individual, la cual es alimentada por un circuito trifásico en conexión estrella con neutro (4 hilos), se usa como dispositivo de interrupción para la protección contra contactos directos e indirectos un interruptor diferencial de sensibilidad 500 mA, el disparo térmico está ajustado a 20 A. La conexión de puesta a tierra de la casa es Ru = 20 Ω, mientras que la conexión de neutro del transformador a tierra (Rn) es despreciable. Todos los contactos y receptores están en condiciones normales de operación. Figura 1. 5 Circuito Trifásico en Conexión estrella con Neutro 10 Para el interruptor Q1 se procede, con propósitos de verificación, a efectuar las pruebas siguientes: Sobre el circuito derivado de una lámpara de 150 W a 208 V, entre fase y neutro. Al cerrar, • ¿Qué sucede con la lámpara y con el interruptor? • Sobre el circuito de una lámpara, entre el neutro y tierra ¿Qué sucede? • Sobre el circuito de una lámpara entre una fase y tierra ¿Qué sucede? • Durante la operación, se presenta una falla de aislamiento franco en la lámpara, entre una fase y neutro. Indicar a partir de que tensión Vc se produce el disparo del interruptor. 11 1.1.6 CUESTIONARIO En una línea de 208 V, un electricista trata de verificar si los conductores de fase están bien conectados y hace contacto con el conductor L3 por medio de un probador con lámpara de neón y una placa metálica, y tiene una resistencia de 56 kΩ todo el conjunto en serie. Para efectuar su verificación el electricista coloca sus pies en el suelo que tiene piso, formando un circuito eléctrico con una fuente y una malla de conducción. • Identificar la fuente y trazar el circuito que sigue la corriente Ic. • Calcular la corriente que circula por el cuerpo (Ic) y que va en dirección del suelo. • Identificar si el electricista está en peligro y por qué. • Si ahora realiza la verificación montado sobre un banco aislado del suelo. ¿Qué puede constatar? Fig. 1.6 Figura 1. 6 Circuito con lámpara de Neón Probador 12 1.1.7 ANEXOS Tubería metálica para agua. Figura 1. 7 Esquema eléctrico para un sistema unifamiliar 13 1.2 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 2 SIMBOLOGÍA Y CONCEPTOS BÁSICOS. 1.2.1 OBJETIVOS • Que el alumno conozca los conceptos mínimos relacionados a una instalación eléctrica en baja tensión. • Que el alumno conozca la simbología que representa a los elementos eléctricos utilizados en la realización de planos eléctricos correspondientes a una instalación eléctrica. 1.2.2 EXPOSICIÒN Simbología La Simbología eléctrica, se utiliza para la realización de planos eléctricos, en los cuales, se puede distinguir el uso de las Normativas. Entre la simbología más utilizada tenemos: Salida de Centro Incandescente Arbotante Incandescente Interior Arbotante Incandescente Intemperie Arbotante Incandescente Interior Lámpara Fluorescente Contacto Sencillo en muro Contacto sencillo en piso Contacto sencillo controlado por apagador Contacto múltiple en muro Contacto sencillo Intemperie 14 Salida Especial Interruptor sencillo Interruptor sencillo de puerta Interruptor sencillo de cadena Interruptor de tres vías o de escalera Interruptor de cuatro vías de escalera ò paso. Tablero General Tablero de Fuerza Campana Zumbador Interruptor Flotador Botón de Timbre Ventilador Salida para Televisión Registro en muro ò losa Teléfono directo Extensión Telefónica 15 Transformador de Corriente Tablero de portero eléctrico Teléfono de portero eléctrico Línea por muro y losa Línea por piso Tubería por teléfono Cuadro Indicador Medidor de la compañía suministradora de energía Interruptor termo magnético Fusible Interruptor (de navajas) 1 Polo Interruptor (de navajas) ò cuchilla de 2 polos Interruptor (de navajas) ò cuchilla de 3 polos Interruptor de presión para flotador en posición abierta (con tanque elevado lleno) Interruptor de presión para flotador en posición abierta (con tanque bajo ò cisterna sin agua) Figura 2. 1 Simbología eléctrica 16 Conceptos Básicos Partes de un circuito eléctrico Todo circuito eléctrico práctico, sin importar qué tan simple o qué tan complejo sea, requiere de cuatro partes básicas: • Una fuente de energía eléctrica. • Conductores. • Una Carga. • Un dispositivo de control. Corriente Eléctrica Para trabajar con circuitos eléctricos es necesario conocer la capacidad de conducción de electrones a través del circuito, es decir, cuántos electrones libres pasan por un punto dado del circuito en un segundo. A la capacidad de flujo de electrones libres se le llama corriente y se designa, en general, por la letra I, que indica la intensidad del flujo de electrones medida en Amperios. Medición de la corriente eléctrica Hay instrumentos para tal fin, conocidos como: Amperímetros, miliamperímetros, o micro amperímetros, dependiendo del rango de medición requerido, estos aparatos indican directamente la cantidad de corriente medida en Amperes que pasa a través de un circuito. Para el uso de Corriente Alterna, un Amperímetro se conecta “en serie”, es decir, extremo con extremo con otros componentes del circuito y se designa con la letra A dentro de un círculo como se ve en la fig.2.2. Figura 2. 2 Símbolo del Amperímetro Voltaje o diferencia de potencial Es evidente que la energía potencial de los electrones libres en la terminal positiva de un circuito es menor que la energía potencial de los que se encuentran en la terminal negativa; por tanto, hay 17 una “diferencia de energía potencial” llamada comúnmente diferencia de potencial; esta diferencia de potencial es la que crea la “presión” necesaria para hacer circular la corriente. Las fuentes de voltaje en los circuitos son las que crean la diferencia de potencial y producen la circulación de corriente, por eso también se les conoce como Fuentes de Fuerza Electromotriz (FEM). La unidad básica de medición de la diferencia de potencial es el Volt y por lo general, se designa con la letra V o E y se mide por medio de Voltímetros que se conectan en paralelo con la fuente como se ve en la fig. 2.3. Figura 2. 3 Circuito básico para medir Voltaje Resistencia Eléctrica Es la oposición que un elemento presenta al paso de la corriente eléctrica a través de él. Todos los componentes que se usan en los circuitos eléctricos, tienen alguna resistencia, siendo de particular interés en las instalaciones eléctricas la resistencia de los conductores. Cuatro factores afectan la resistencia metálica de los conductores: • Su longitud • El área transversal • El tipo de material del conductor y • La temperatura. La resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud; es decir, que a mayor longitud del conductor el valor de la resistencia es mayor. La resistencia es inversamente proporcional al área o sección (grueso) del conductor; es decir, a medida que un conductor tiene mayor área su resistencia disminuye. 18 La resistencia se puede medir por medio de aparatos llamados multímetro que integran también la medición de voltajes y corrientes; el circuito tiene que estar desenergizado para dicha medición. La resistencia también se puede calcular por método indirecto de voltaje y corriente. Ley de Ohm La ley de Ohm presenta los conceptos básicos de la electricidad, es importante tener práctica en su uso. La ley de Ohm se expresa de la siguiente manera: Ec. (1.1) V=I.R Donde: V= Voltaje I = Corriente R= Resistencia a) Potencia: En los circuitos eléctricos la capacidad de realizar un trabajo se conoce como la potencia; por lo general se asigna con la letra P y en honor a la memoria de James Watt, inventor de la máquina de vapor, la unidad de potencia eléctrica es el Watt; se abrevia W. Muchas veces en algunos dispositivos como lámparas, calentadores, secadoras, etc. Se expresa su potencia en Watts y entonces es necesario manejar la expresión matemática de la potencia. Para calcular la potencia eléctrica en un circuito eléctrico se usa la relación: Ec. (1.2) P=V.I Donde: P= potencia en Watts V= Voltaje I= Corriente. Existen aparatos de lectura directa denominados wattímetro que son muy útiles, particularmente en los circuitos de corriente alterna; el wattímetro denominado electrodinámico se puede usar tanto en circuitos de corriente continua como de corriente alterna. b) Energía Eléctrica: Es la potencia eléctrica consumida durante un determinado período y se expresa como watts-hora o kilowatts-hora; la fórmula para su cálculo sería: Ec. (1.3) E=V.I.t 19 Donde: P = potencia V =Voltaje I = Corriente t = tiempo en horas. El kilowatt-hora es la base para el pago del consumo de energía eléctrica. El dispositivo que mide el consumo de energía eléctrica es el kilowatt-horímetro que, por lo general, se instala en todas las casas de habitación y del cual representantes de la empresa eléctrica de suministro, toman lecturas mensuales. Conexión en Serie. Con relación a los circuitos conectados en serie se deben tener ciertas características: • La corriente que circula por todos los elementos es la misma; esto se puede comprobar conectando amperímetros en cualquier parte del circuito y observando que la lectura es la misma. • Si algún elemento se desconecta se interrumpe la corriente en todo el circuito. • La magnitud de la corriente que circula es inversamente proporcional a la resistencia de los elementos conectados al circuito y la resistencia total del circuito es igual a la suma de las resistencias de cada uno de los componentes. • El voltaje total aplicado es igual a la suma de las caídas de voltaje en cada uno de los elementos de circuito. Conexión en Paralelo Las características principales de los circuitos conectados en paralelo son: Las corrientes que circulan por los elementos principales o trayectorias del circuito son iguales a la suma de las corrientes de los elementos en derivación, también llamadas ramas en paralelo. A diferencia de los circuitos conectados en serie, si por alguna razón hay necesidad de remover o desconectar alguno de los elementos en paralelo, esto no afecta a los otros, es decir, no se interrumpe el flujo de corriente. Este tipo de conexión es la que se usa más en instalaciones eléctricas residenciales. El voltaje en cada uno de los elementos en paralelo es igual al voltaje de la fuente de alimentación. Circuitos en conexión Serie-Paralelo Son fundamentalmente una combinación de los arreglos serie y paralelo y de hecho combinan las características de ambos tipos de circuitos. 20 El concepto de Caída de Voltaje. Cuando la corriente fluye por un conductor, parte del voltaje aplicado se “pierde” en superar la resistencia del conductor. Si esta pérdida es excesiva y es mayor de cierto porcentaje que fijan las normativas en El Salvador en instalaciones eléctricas, lámparas y algunos otros aparatos eléctricos tienen problemas en su operación. Para calcular la caída del voltaje se puede aplicar la Ley de Ohm que se ha estudiado con anterioridad en su forma V = R.I. La resistencia de los conductores depende de su longitud y de su diámetro; a cada calibre del conductor le corresponde un dato de su resistencia, que normalmente está expresada en ohms por cada metro de longitud, lo que permite calcular la resistencia total del conductor como: Ec. (1.4) R= r . L Donde: R= Resistencia total del conductor. r = resistencia en ohms/metro. L= longitud total del conductor. El diseño Eléctrico Se puede definir como el desarrollo de un método que permita la distribución de la Energía eléctrica, desde un punto en que se encuentre disponible y que se conoce como la entrada o punto de alimentación del servicio eléctrico, hasta los puntos de utilización. Circuito Derivado Conjunto de conductores que van hasta el último dispositivo de sobre corriente en el sistema. Generalmente alimenta a una pequeña parte del sistema. Alimentador Conjunto de conductores que alimentan a un grupo de circuitos derivados. En casas de habitación (instalaciones pequeñas) no hay alimentadores; reciben la potencia a través de los Dispositivos de protección contra sobre corrientes en los tableros. Tableros Conjuntos de dispositivos de sobre corriente contenidos en gabinetes accesibles sólo por el frente. Subalimentadores Son circuitos derivados, conocidos como alimentadores secundarios. Se colocan después del tablero general. 21 Canalizaciones Una canalización es un conducto cerrado, que proporciona protección mecánica a los conductores, ya que los aísla físicamente y confirma cualquier problema de calor o chispas producidas por fallas en aislamiento. Tubo-Conduit Es un tipo de tubo (de metal o plástico) que se usa para contener y proteger los conductores eléctricos usados en las instalaciones Cajas Eléctricas Son las terminaciones que permiten acomodar las llegadas de los distintos tipos de tubos conduit, cables armados, o tubos no metálicos; con el propósito de empalmar cables y proporcionar salidas para contactos, apagadores, salidas para lámparas y luminarias en general. Estas cajas, se han diseñado en distintos tipos y dimensiones; así como los accesorios para su montaje para dar la versatilidad que las instalaciones eléctricas requieren. Conductores Eléctricos En general la palabra “Conductor” se usa con un sentido distinto al de alambre, ya que por lo general un alambre es de sección circular, mientras que un conductor puede tener otras formas (por ejemplo barras rectangulares o circulares), sin embargo, es común que a los alambres se les designe como conductores, por lo que en caso de mencionar algún conductor de forma o características distintas a los alambres, se designará específicamente con el nombre que se le conozca. Aislamiento El aislamiento eléctrico se produce cuando se cubre un elemento de una instalación eléctrica con un material que no es conductor de la electricidad, es decir, que resiste el paso de la corriente a través del elemento que recubre y lo mantiene en su trayectoria a lo largo del conductor. Ampacidad La Ampacidad de un cable es su capacidad de Conducción; es la máxima corriente en Amperes que puede ser transportada en un conductor cumpliendo con los requerimientos de seguridad. Interruptor Se define como un interruptor pequeño de acción rápida, operación manual y baja capacidad que se usa, por lo general, para controlar aparatos pequeños domésticos y comerciales así como unidades de alumbrado pequeñas. 22 Contactos Los contactos se usan para enchufar (conectar) por medio de clavijas, dispositivos portátiles tales como lámparas, taladros portátiles, radios, televisores, tostadores, licuadoras, batidoras, secadoras de pelo, rasuradoras eléctricas, etc. Portalámparas Quizás el tipo más común de portalámparas usada en las instalaciones eléctricas de casas de habitación sea el conocido como “socket” construido de casquillo de lámina delgada de bronce en forma roscada para alojar al casquillo de los focos o lámparas. La forma roscada se encuentra contenida en un elemento aislante de baquelita o porcelana y el conjunto es lo que constituye de hecho el portalámpara. Dispositivos para protección contra sobre corrientes Son dispositivos de seguridad que garantizan que la capacidad de conducción de corriente de los conductores no se exceda. 1.2.3 PRUEBA DE CONOCIMIENTOS • ¿Cuántos ohmios de resistencia tiene el filamento de una lámpara piloto de bicicleta en cuyo casquillo hay la indicación de 6V/0.05A? • ¿Qué tensión es necesaria para que 14 A circulen por una resistencia de 15 ohmios? • Calcular la caída de tensión en un conductor de alimentación cargado con 48 A que tiene una resistencia de 0.16 ohmios. • Al medir una resistencia el voltímetro indica 3.8 V y el amperímetro 0.87 A. tiene la resistencia? 1.2.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS • Tablas de Simbología para diseño de Instalaciones Eléctricas. • 1 Amperímetro. • 1 Voltímetro. • 1 Wattímetro. • 1 Clamper. • Alambre eléctrico. • Cable eléctrico tipo AWG número 14. • Cable eléctrico tipo AWG número 10. 23 ¿Cuántos ohmios • Cable eléctrico tipo AWG número 1/0. • 1 Tenaza punta plana. • 1 Tenaza punta redonda. • 1 Desarmador punta plana. • 1 Desarmador punta estrella. • 4 Portalámparas. • 1 Cautín. • Estaño. • 1 Fuente de Voltaje AC. • 2 Focos de 60 W a 120 V AC. • 3 Apagadores sencillos de contacto de 120V. 1.2.5 PROCEDIMIENTO Parte A El estudiante debe medir y cortar 2 longitudes de cable AWG número 10, una de 10cm y la otra de 20 cm. El estudiante debe medir y cortar 2 longitudes de cable AWG número 1/0, una de 10cm y la otra de 20 cm. Medir las resistencias para cada uno de los pedazos cortados y luego llenar la siguiente tabla. Tabla 1.1 Tipo de Cables Tipo de cable a diferentes longitudes. AWG 10 L:____ AWG 10 L:____ AWG 1/0 L:____ AWG 1/0 L:____ Resistencia(ohms) Parte B El estudiante debe configurar los circuitos como se muestra en las figuras 2.4 y 2.5, haciendo uso de los materiales y equipos que el instructor ponga a su disposición. Mida la corriente que está fluyendo y el voltaje que existe en las posiciones en donde se colocará el amperímetro y el voltímetro respectivamente, tal como se muestra en las figuras 2.4 y 2.5. Mida con un wattímetro el nivel de Potencia que consumen las cargas; finalmente, observando las indicaciones de conexión mostradas por el instructor, se procederá a tomar la medida. 24 Foco 1 Foco 2 Figura 2. 4 Circuito en Serie para medición Foco 1 Foco 2 Figura 2. 5 Circuito en paralelo para medición Calcular los valores de potencia consumida por los focos, haciendo uso de los valores de corriente y voltaje medidos con anterioridad; comparar los resultados con los resultados obtenidos con el Wattímetro. Calcular los valores de Energía que consumen estas cargas en un mes, asumiendo que se utilizan 8 horas diarias. Parte B Coloque los apagadores en las posiciones que se muestran en la figura 5. S1 S2 S3 Foco 1 Foco 2 Figura 2. 6 Circuito en paralelo con apagadores 2- Rellene el cuadro que se muestra a continuación, utilizando las distintas combinaciones de activación y desactivación de los apagadores. 25 Tabla 1.2 Combinaciones de Apagadores Apagadores Activados 1 2 Focos Encendidos 3 1 2 1.2.6 CUESTIONARIO • ¿Por qué se utiliza para esta práctica cable AWG calibre 14? • ¿Se puede utilizar un cable diferente para hacer una instalación como la que se ha realizado en esta práctica? Justifique su respuesta • ¿Qué medidas de seguridad hay que acatar para realizar una instalación de este tipo? • ¿Qué tipo de protección es la más recomendable utilizar en este tipo de instalación? • ¿Cómo están configuradas las luminarias en los hogares, en serie o en paralelo? ¿Cómo lo sabe? ¿Cuál es la ventaja de la configuración que has elegido? • Mencione 5 elementos que contienen las instalaciones eléctricas de una casa. • Investigue y mencione los colores distintivos en los cables eléctricos. • En el mercado Nacional ¿Cuáles son las empresas productoras, proveedoras y distribuidoras de material Eléctrico? Mencione las más importantes. • A nivel Internacional ¿Cuáles países son los más importantes productores de material eléctrico? 26 1.2.7 ANEXOS Figura 2. 7. Tomacorrientes. 27 1.3 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 3 COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN ELÉCTRICA RESIDENCIAL 1.3.1 OBJETIVOS • Que el alumno conozca los Componentes que debe llevar una Instalación Eléctrica, según el Código Nacional Eléctrico (NEC) para las Instalaciones Eléctricas Residenciales. • Que el alumno aplique los conocimientos adquiridos del Código Nacional Eléctrico (NEC) para solucionar un caso en particular. • Que el alumno aprenda a trabajar en Diseño de Instalaciones Eléctricas utilizando las partes adecuadas según las Normas Nacionales e Internacionales. 1.3.2 EXPOSICION. Materiales usados en las Instalaciones Eléctricas Una instalación eléctrica correctamente diseñada emplea normalmente materiales aprobados o certificados por las normas nacionales o internacionales, especificados en el catálogo técnico suministrado por el fabricante. Tipos de Canalización Es un conducto cerrado diseñado para contener alambres, cables o buses-ducto, pueden ser metálicos o no metálicos. Tipos: Tubos Conduit Metálicos: dependiendo del uso se pueden instalar en exteriores e interiores; en áreas secas o húmedas, dan una excelente protección a los conductores. Este tipo de canalización es el más comúnmente usado, ya que prácticamente se utilizan en todo tipo de atmósferas y para todas las aplicaciones. En los ambientes corrosivos adicionalmente, se debe tener cuidado de proteger los tubos con pintura anticorrosiva, ya que la presentación normal de estos tubos, es galvanizada. Los tipos más usados son: • De pared gruesa (tipo rígido) • De pared delgada. • Tipo metálico flexible (greenfield) Tubo Conduit Metálico Rígido (Pared Gruesa): Este tipo de tubo conduit (Fig. 3.1) se suministra en tramos de 3.05 (10 pies) de longitud en acero o aluminio y se encuentra disponible en diámetros 28 desde ½ pulg. (13 mm.), hasta 6 pulg. (152.4 mm.), cada extremo del tubo se proporciona con rosca y uno de ellos tiene un acople. El tubo metálico, de acero normalmente, es galvanizado y además, como se indicó antes, tiene un recubrimiento especial cuando se usa en áreas corrosivas. El tubo conduit rígido puede quedar embebido en las construcciones de concreto (muros o losas), o bien puede ir montado superficialmente con soportes especiales. También puede ir apoyado en bandas de tuberías. Algunas recomendaciones generales para su aplicación, son las siguientes: • El número de dobleces en la trayectoria total de un conduit, no debe exceder a 180º. • Siempre que sea posible, y para evitar el efecto de la acción galvánica; las cajas y conectores usados con los tubos metálicos, deben ser del mismo material. • Los tubos se deben soportar cada 3.05 m (10 pies) y dentro de 90 cm. (3 pies) entre cada salida. Figura 3. 1 Tubo Conduit Metálico Rígido Tubo Conduit Metálico intermedio o semipesado: Se fabrica en diámetros de hasta 4 plg. (102 mm) su constitución es similar al tubo conduit rígido de pared gruesa, pero tiene las paredes más delgadas, por lo que tiene mayor espacio interior disponible. Se debe tener mayor cuidado con el doblado de estos tubos, ya que tienden a deformarse. Tienen roscados los extremos igual que el de pared gruesa y de hecho sus aplicaciones son similares. Tubo Metálico de pared delgada (Rígido ligero). Estos tubos son similares a los de pared gruesa, pero tienen su pared interna mucho más delgada, se fabrican en diámetros hasta de 4 plg. (102 mm), se puede usar en instalaciones visibles u ocultas, embebido en concreto o embutido en mampostería, pero en lugares secos no expuestos a humedad o ambientes corrosivos. Estos tubos no tienen sus extremos roscados y tampoco usan los mismos conectores que los tubos metálicos rígidos de pared gruesa, de hecho usan sus propios conectores de tipo atornillado. Tubo Conduit Metálico Flexible: Este es un tubo hecho de cinta metálica engargolada (en forma helicoidal), sin ningún recubrimiento. Hay otro tubo metálico que tiene una cubierta exterior de un 29 material no metálico para que sea hermético a los líquidos. Este tipo de tubo conduit es útil cuando se hacen instalaciones en áreas donde se dificultan los dobleces con tubo conduit metálico, o bien, en lugares en donde existen vibraciones mecánicas que puedan afectar las uniones rígidas de las instalaciones. Este tubo se fabrica con un diámetro minino de 12 mm. (1/2 plg) y un diámetro máximo de 102 mm. (4 plg). Figura 3. 2 Cambios de dirección con tubo Conduit. Tubo Conduit no metálico: En la actualidad hay muchos tipos de tubos conduit no metálicos que tienen una gran variedad de aplicaciones y están construidos de distintos materiales, tales como: cloruro de Polivinilo (PVC), fibra de vidrio, polietileno y otros. El más usado en instalaciones 30 residenciales es PVC, que es un material auto extinguible, resistente al colapso, a la humedad y a agentes químicos específicos. Se puede usar en: • Instalaciones ocultas. • Instalaciones visibles, cuando no se expone el tubo a daño mecánico. • En lugares expuestos a los agentes químicos específicos, en donde el material es resistente, ejemplo laboratorios farmacéuticos. No se debe usar en: • Áreas y locales considerados como peligrosos. • Para soportar luminarias o equipos. • Cuando las temperaturas sean mayores de 70º C. Estos tubos, se pueden doblar mediante la aplicación de aire caliente o líquido caliente. Las normas de instalación para este tipo de tubería, se encuentran en el Código Nacional Eléctrico (NEC) en su Artículo 347. TUBO DE POLIETILENO El tubo Conduit de polietileno debe ser resistente a la humedad y a ciertos agentes químicos específicos. Su resistencia mecánica, debe ser adecuada para proporcionar protección a los conductores y soportar el trato rudo al que se ve sometido durante su instalación. Por lo general, se le identifica por el color anaranjado. Puede operar con voltajes hasta 150 V a tierra, embebido en concreto o embutido en muros, pisos y techos. También, se puede enterrar a una profundidad, no menor a 0.50 m. Cajas y accesorios para canalización con tubo. Cajas Eléctricas La caja eléctrica, es la terminación que permite acomodar las llegadas de los distintos tipos de tubos conduit, cables armados, o tubos no metálicos; con el propósito de empalmar cables, lámparas y luminarias en general. Estas cajas, se han diseñado en distintos tipos y dimensiones; así como los accesorios para su montaje para dar la versatilidad que las instalaciones eléctricas requieren. Las cajas, se identifican por sus nombres, pero en general son funcionalmente intercambiables con algunas pocas excepciones. 31 Esto significa que si se aplican en forma conveniente, prácticamente cualquier tipo de caja, se puede usar para distintos propósitos. Se fabrican metálicas y no metálicas, básicamente la selección de una caja depende de lo siguiente: • El número de conductores que entran. • El tipo y número de dispositivos que se conectan a la caja. • El método de alambrado usado. Cajas metálicas de propósitos generales Estas cajas de propósitos generales, se clasifican de cualquiera de los tres tipos de categorías siguientes: • Cajas para apagadores • Cajas octagonales • Cajas cuadradas Estas cajas (y sus accesorios), se fabrican con material metálico, aún cuando en forma reciente, se tienen algunas formas de materiales, no metálicos. Las cajas rectangulares, se usan para alojar apagadores o contactos, algunas de hecho, se usan para alojar más de un apagador o dispositivo. Las cajas octagonales y cuadradas se usan principalmente para salidas de la instalación eléctrica, ya sea para lámparas o luminarias o para montar otros dispositivos (usando la cubierta apropiada). Ductos Metálicos con tapa: Este tipo de ductos pueden tener la tapa fija o de tipo desmontable, sirve para contener y a la vez proteger a los conductores, que se colocan o alojan en el ducto cuando éste ha sido ya totalmente instalado. Se usan como canalizaciones visibles en lugares secos, cuando se instalan a la intemperie, se deben especificar a prueba de agua. Estos ductos, NO se deben aplicar en los casos siguientes: • Cuando puedan estar sujetos a daño mecánico severo. • Cuando estén expuestos a vapores o gases corrosivos. • En lugares clasificados como peligrosos. Para los fines de espacio de ventilación, todos los conductores alojados en un ducto, lleven o no corriente, no deben ocupar más del 40% de la sección transversal interior del ducto y no deben alojar circuitos de control y señalización; como los usados en: estaciones de botones, lámparas de señalización y los de puesta a tierra, no se consideran como portadores de corriente. 32 Debido a problemas mecánicos, los ductos metálicos, se diseñan de acuerdo al peso máximo de los conductores que puedan contener, por lo que NO deben instalarse conductores de un calibre mayor al calibre para el cual se ha diseñado el ducto. Los ductos metálicos tienen como accesorios de acoplamiento uniones rectas, ángulos y Tes y se deben soportar a intervalos que no excedan entre soporte 1.50 m. Los ductos, se fabrican en dimensiones estándar, de: 10 x 10 cm., 15 x 15 cm., 20 x 20 cm. y longitudes de 150 cm., 60 cm. y 30 cm. Bandeja para cables Las charolas o pasos de cable son conjuntos prefabricados en secciones rectas con herrajes que se pueden unir para formar sistemas de canalizaciones. En general, se tienen disponibles tres tipos de charolas para cables. Bandeja de paso: que tienen un fondo continuo, ya sea ventilado o no ventilado y con anchos estándares, de: 15 cm, 22 cm, 30 cm y 60 cm. Este tipo, se usa cuando los conductores son pequeños y requieren de un soporte completo. Bandeja tipo escalera: Estas son de construcción muy sencilla, consisten de dos rieles laterales unidos o conectados por “barrotes” individuales. Por lo general, se usan como soporte de los cables de potencia. Se fabrican en anchos estándar, de: 15 cm., 22 cm., 30 cm., 45 cm., 60 cm., y 75 cm. Se fabrican ya sea de acero o de aluminio. Bandeja tipo canal: Están constituidas de una sección de canal ventilada. Se usan por lo general para soportar cables de potencia sencillos, múltiples o bien varios cables de control (multiconductores), se fabrican de acero o aluminio con anchos estándar, de: 7.5 cm. ó 10 cm. Bus-Ducto El bus-ducto, es un ensamble prefabricado de barras, aisladores y una canalización metálica que se usan en distintas formas para la distribución de potencia. Se tienen disponibles en distintas formas y capacidades y la longitud estándar es de: 3.05 m. También, se encuentran disponibles en el mercado distintos tipos de arreglos. Canalizaciones Superficiales Las canalizaciones superficiales, se fabrican en distintas formas en el tipo metálico. Se usan generalmente en lugares secos, no expuestos a la humedad y tienen conectores y herrajes de distintos tipos para dar prácticamente todas las formas deseables en las instalaciones eléctricas. 33 Cajas y accesorios para canalización con tubo (CONDULETS) En los métodos modernos para instalaciones eléctricas de casas-habitación, todas las conexiones de conductores o uniones entre conductores se deben realizar en cajas de conexión aprobadas para tal fin y se deben instalar en donde sean accesibles para poder hacer cambios en el alambrado. Apagadores Un apagador se define como un interruptor pequeño de acción rápida, operación manual y baja capacidad que se usa, por lo general, para controlar aparatos pequeños domésticos y comerciales así como unidades de alumbrado pequeñas. Debido a que la operación de los apagadores es manual, los voltajes nominales no deben exceder de 600 volts. Apagadores de tres vías. 1.3.3 PRUEBA TEÓRICA DE CONOCIMIENTO 1. Elaborar un diseño arquitectónico y realizar lo siguiente: Elaborar un diagrama de conexiones eléctricas y de distribución de los dispositivos a utilizar en la instalación, y ubicarlos en el diagrama arquitectónico diseñado. • Tomacorrientes dobles. • Interruptor de tres vías. • Salida para alumbrado incandescente. • Salida para TV. • Termostato. • Salida para teléfono. • Salida para ventilador. • Tomacorriente para computadora. 1.3.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS • 1 punta de guía • Tecnoducto • Caja de Unión • Cable THHN calibre 10 • Cable THHN calibre 12 • Cable THHN calibre 14 34 • Martillo • Desarmador punta plana • Desarmador punta estrella • Cinta Aislante • Tenazas punta plana • Tenazas punta redonda • cajas octogonales • apagadores sencillos • 2 focos de 60 W • 2 cajas eléctricas • Cortadora de cable • Calibrador 1.3.5 PROCEDIMIENTO Parte A El estudiante debe Abrir las perforaciones de las cajas que van a ser utilizadas, tal como se muestra en la Fig. 3.3. Forma de atornillado Monitor Figura 3. 3 Atornillado de caja metálica Como siguiente paso se deben fijar muy bien los elementos a utilizar en ésta práctica sobre los rieles de soporte que están ubicados en el área de trabajo; previo a ello el instructor debió haber verificado los diagramas. Fijar el Tubo Conduit que conecta a todos los elementos previamente fijados en el área de trabajo; el objeto de esto es tener listo el acceso al cableado de la instalación. Haciendo uso de una punta de Guía, enguiar los cables que el instructor pondrá a disposición, para esta instalación, tal como se muestra en la Fig. 3.4. 35 Extremo para enganchar Seguro Riel Cinta de Nylon Gancho de la guía Conductores Trenzados Figura 3. 4 Enguiado de Cable usando punta. Parte B El estudiante debe abrir las perforaciones de las cajas que van a ser utilizadas, tal como se muestra en las figuras anteriores. Se debe hacer una distribución adecuada de los elementos en el área de trabajo; por lo que el estudiante tiene que hacer un diagrama de distribución de los elementos basándose en el circuito mostrado en la Fig. 3.5, como sigue: 36 Retorno Figura 3. 5 Diagrama de Línea Unifilar Como siguiente paso se deben fijar muy bien los elementos a utilizar en ésta práctica sobre los rieles de soporte que están ubicados en el área de trabajo; previo a ello el instructor debió haber verificado los diagramas; incluyendo el tubo Conduit. Haciendo uso de una punta de Guía, enguiar los cables que el instructor pondrá a disposición, para esta instalación, tal como se muestra en las figuras anteriores. Hacer las conexiones correspondientes a los diagramas mostrados en la figura siguiente. Figura 3. 6 Diagrama de Alambrado con alimentación para el Switch a Apagador 37 Mostrar el circuito instalado al instructor; hecha la revisión observar los resultados de la instalación. Parte C Tomando en cuenta el circuito armado en la parte B, compararlo con la Figura 3.10 siguiente; realizar los nuevos diagramas unifilares y el diagrama eléctrico respectivo. Figura 3. 7 Apagador de tres vías Hacer las conexiones correspondientes para este nuevo circuito. Mostrar el circuito instalado al instructor, hecha la revisión, observar los resultados de la instalación. 38 1.3.6 CUESTIONARIO • ¿Para qué tipo de aplicación sirven los apagadores de tres o cuatro vías? • Basado en la pregunta anterior. Dibuje un diagrama unifilar y el diagrama eléctrico, en donde haya la necesidad de utilizar un apagador de 4 vías. • En la figura 3.8 como sigue, se muestran los diagramas de disposición y de alambrado de tres lámparas controladas, una desde un apagador y las otras dos desde otro, y alimentadas desde un apagador. Realizar el alambrado con los elementos mostrados. Figura 3. 8 Diagrama de disposición y alambrado de tres lámparas Dibuje un diagrama unifilar de la sala de su casa, de la cocina, del baño y de su habitación. Observando solamente las luminarias, contactos y apagadores. 39 ¿Qué recomendaría a una persona que tenga un problema de falso contacto con el sistema de luminarias en su casa? ¿Cómo puede identificar si el problema está en las luminarias o en la instalación eléctrica? 1.3.7 ANEXOS Ejemplo de una instalación Residencial típica Urbana Figura 3. 9 Instalación Residencial Típica Urbana 40 1.4 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 4. TIPOS DE CONDUCTORES ELECTRICOS Y SELECCIÓN DE PROTECCIONES DE ACUERDO A SU CAPACIDAD DE CORRIENTE. 1.4.1 OBJETIVOS • Conocer los diferentes tipos de conductores eléctricos que existen para su correcta utilización en situaciones específicas. • Identificar los lugares en donde se deben utilizar los distintos tipos de conductores eléctricos, según sus propiedades de aislamiento. • Calcular el calibre adecuado de los conductores eléctricos en una instalación, dependiendo de la corriente demandada por el circuito. • Elaborar circuitos eléctricos sencillos en donde se refleje la utilización de los distintos tipos de conductores. • Hacer mediciones de voltajes y corrientes en los circuitos eléctricos elaborados. • Cálculo de la protección para un circuito eléctrico respetando normas de seguridad industrial. 1.4.2 EXPOSICIÒN ¿QUÉ ES UN CONDUCTOR ELECTRICO? Se aplica este concepto a los cuerpos capaces de conducir o transmitir la electricidad. Un conductor eléctrico está formado primeramente por el conductor propiamente tal, usualmente de cobre. Este puede ser alambre, es decir, una sola hebra o un cable formado por varias hebras o alambres retorcidos entre sí. Los materiales más utilizados en la fabricación de conductores eléctricos son el cobre y el aluminio. Aunque ambos metales tienen una conductividad eléctrica excelente, el cobre constituye el elemento principal en la fabricación de conductores por sus notables ventajas mecánicas y eléctricas. El uso de uno u otro material como conductor, dependerá de sus características eléctricas (capacidad para transportar la electricidad), mecánicas (resistencia al desgaste, maleabilidad), del uso específico que se le quiera dar y del costo. Estas características llevan a preferir al cobre en la elaboración de conductores eléctricos. El tipo de cobre que se utiliza en la fabricación de conductores es el cobre electrolítico de alta pureza, 99.99%. Temple: duro, semiduro y blando o recocido. 41 Dependiendo del uso que se le vaya a dar, este tipo de cobre se presenta en los siguientes grados de dureza o temple: duro, semiduro y blando o recocido. Partes que componen los conductores eléctricos: • El alma o elemento conductor. • El aislamiento. • Las cubiertas protectoras. El alma o elemento conductor Se fabrica en cobre y su objetivo es servir de camino a la energía eléctrica desde las centrales generadoras a los centros de distribución (subestaciones, redes y empalmes), para alimentar a los diferentes centros de consumo (industriales, grupos habitacionales, etc.). De la forma cómo esté constituida esta alma depende la clasificación de los conductores eléctricos. Así tenemos: Según su constitución Alambre: Conductor eléctrico cuya alma conductora está formada por un solo elemento o hilo conductor. Figura 4. 1 Alambre Cable: Conductor eléctrico cuya alma conductora está formada por una serie de hilos conductores o alambres de baja sección, lo que le otorga una gran flexibilidad. Figura 4. 2 Cable 42 Según el número de conductores Monoconductor: Conductor eléctrico con una sola alma conductora, con aislamiento y con o sin cubierta protectora. Figura 4. 3 Mono conductor Multiconductor: Conductor de dos o más almas conductoras aisladas entre sí, envueltas cada una por su respectiva capa de aislación y con una o más cubiertas protectoras comunes. Figura 4. 4 Multiconductor El aislamiento El objetivo del aislamiento en un conductor es evitar que la energía eléctrica que circula por él, entre en contacto con las personas o con objetos, ya sean éstos ductos, artefactos u otros elementos que forman parte de una instalación. Del mismo modo, el aislamiento debe evitar que conductores de distinto voltaje puedan hacer contacto entre sí. Los materiales aislantes usados, desde sus inicios, han sido sustancias poliméricas, que en química se definen como un material o cuerpo químico formado por la unión de muchas moléculas idénticas, para formar una nueva molécula más gruesa. Antiguamente los aislantes fueron de origen natural, gutapercha y papel. Posteriormente la tecnología los cambió por aislantes artificiales actuales de uso común en la fabricación de conductores eléctricos. 43 Los diferentes tipos de aislamiento de los conductores están dados por su comportamiento técnico y mecánico. Considerando el medio ambiente y las condiciones de canalización a que se verán sometidos los conductores que ellos protegen, resistencia a los agentes químicos, a los rayos solares, a la humedad, a altas temperaturas, llamas, etc. Entre los materiales usados para aislamiento de conductores podemos mencionar el PVC o cloruro de polivinilo, el polietileno o PE, el caucho, la goma, el neoprén y el nylon. Capacidad de transporte de los conductores La corriente eléctrica origina calentamiento en los conductores efecto Joule. El exceso de temperatura genera dos efectos negativos en los aislantes: • Disminución de la resistencia de aislamiento. • Disminución de la resistencia mecánica. El servicio operativo de la energía eléctrica y su seguridad dependen directamente de la calidad e integridad del aislamiento de los conductores. Los aislamientos deben ser calculados en relación a la carga de energía eléctrica que transporten los conductores y a la sección o diámetro de los mismos. Factores de corrección a la capacidad de transporte. La capacidad de transporte de los conductores está restringida por su capacidad de disipar la temperatura del medio que los rodea. Para ello, los aislantes no deben sobrepasar la temperatura de servicio de los conductores. Dimensionamiento de calibre de conductores por caída de voltaje. Al circular una corriente eléctrica a través de los conductores de una instalación; se produce en ellos una caída de tensión que responde a la siguiente expresión: Vp = I ∗ Rc (Ω ) Ec. (1.5) Donde: Vp= Voltaje de Pérdida (V) I= Corriente de Carga (A) Rc= Resistencia de los Conductores (ohmios) La resistencia de un conductor eléctrico, responde a la siguiente expresión, que relaciona sus parámetros físicos y la naturaleza del material conductor: 44 Rc = 2 ∗ ρ ∗ l (Ω A ) Ec. (1.6) Donde: ρ= Resistividad específica del conductor (Ohm mm2 / m) (p Cu=0018(Ohm-mm2/m)) l= Longitud del conductor (m) A= Sección de conductor (mm2) La expresión para determinar la sección del conductor en función del Vp queda finalmente del siguiente modo: A= 2∗ ρ ∗l × I mm 2 Vp ( ) Ec. (1.7) Donde: ρ= Resistividad específica del conductor (Ohm mm2 / m) (p Cu=0018(Ohm-mm2/m)) l= Longitud del conductor (m). A= Sección de conductor (mm2). I= Corriente a través del conductor. La exigencia con respecto al Vp, establece que la Pérdida de Tensión en la Línea no debe exceder a un 3% la Tensión Nominal de Fase; siempre y cuando la pérdida de voltaje en el punto más desfavorable de la instalación no exceda a un 5 % de la tensión nominal. 1.4.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • ¿Cuáles son las partes que componen a un conductor eléctrico? • ¿Cuál es la diferencia entre cable y alambre? • ¿Qué es un multiconductor? • ¿Qué es un monoconductor? • ¿Qué efectos negativos causa el aumento de temperatura en el aislamiento de los conductores? • ¿De qué porcentaje debe de ser la caída máxima de voltaje en una instalación eléctrica entre los alimentadores y los ramales? • Mencione las características físicas de los siguientes conductores (Referirse al anexo): o THHN. o THWN o TNM 45 1.4.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS. • 1 cuerpo terminal. • 1 Contador Digital • 1 Caja Térmica. • 1 Caja de registro 8X6X4 pulgadas. • 1 Caja Rectangular sencilla. • 1 Caja Octagonal sencilla. • 1 Receptáculo. • 1 Toma corriente doble. • Tecnoducto. • Conector Tecnoducto. • Alambre Galvanizado # 16. • Cinchos plásticos. • Scotch lock para calibre 6, 10, 12 y 14. • Luminaria. • Cable TNM Calibre 12X3. • Cable THHN Calibre 12 - 6 - 10 y 14. • Bushing. • 1 interruptor de dos vías. • Coraza galvanizada. • Cinta aislante. 1.4.5 PROCEDIMIENTO PARTE A: Antes de comenzar con el armado del circuito identifique correctamente cada uno de los elementos a utilizar en la práctica y si tiene alguna duda consulte a su instructor. Tome el cuerpo terminal y colóquelo al lado izquierdo del modulo de trabajo teniendo cuidado de ubicarlo fijamente. Ahora tome la tubería conduit de 1 pulgada y ajústela correctamente con la camisa conduit de 1 pulgada al cuerpo terminal. Seguidamente tome el contador eléctrico y colóquelo fijamente en el modulo. Ahora tome la caja térmica y colóquela en el modulo amarrándola fijamente con alambre galvanizado por la parte de atrás. 46 Del contador eléctrico a la caja térmica se colocará tecnoducto para el debido transporte de los conductores. Ahora tome la caja de registro de 8x6x4 pulgadas y amárrela al módulo con alambre de amarre. De la misma forma coloque tecnoducto de la caja térmica a la caja de distribución. Finalmente fije las 2 cajas rectangulares una para el interruptor y la otra para el tomacorriente doble así como también la caja octagonal para la luminaria recordando que las uniones entre ellas deben hacerse con Tecnoducto. A cada una de las uniones de tubería con caja se le colocará su respectivo conector y su bushing para no dañar el conductor. PARTE B: En esta parte se procederá a armar el circuito eléctrico recordando las siguientes normas: • El calibre mínimo de conductor para la acometida eléctrica es el calibre No. 6. • Calibre mínimo para alimentadores es el No. 10. • El calibre mínimo para tomacorrientes es No.12. • Calibre mínimo para luminarias es No.14. Estos son criterios que se deben tomar en cuenta a la hora del dimensionamiento de los conductores, pero estos calibres dependerán principalmente de la carga eléctrica demandada, la temperatura ambiente ºC así también de la caída de voltaje máxima permitida. Es bueno recordar también que las protecciones termo magnéticas que se usarán deberán ser cargadas al 80 % de su capacidad nominal. CABLEADO Y ARMADO DEL CIRCUITO. Introduzca en cada una de las canalizaciones ya empotradas en el módulo el alambre galvanizado el cual nos servirá como guía para introducir más fácilmente los conductores en las tuberías. Ahora amarre a la punta del alambre galvanizado los conductores que serán introducidos en la tubería, e introdúzcalos teniendo cuidado de no dañarlos. Realice las conexiones indicadas en el circuito teniendo cuidado del uso de los scotch lock en los empalmes y de la cinta aislante para evitar cortocircuitos. 47 Interruptor 3 vías Interruptor 4 vías Interruptor 3 vías Figura 4.5 Diagrama de conexiones Realice pruebas de cortocircuito y si no hay ningún problema alimente el circuito armado. Estime la cantidad de conductor utilizada desde la entrada al cuerpo terminal hasta la parte final del circuito (carga) y mida los voltajes en ambos puntos y calcule la caída de voltaje. Tabla 1.3 Mediciones VOLTAJE ENTRADA V VOLTAJE CARGA V CAIDA DE VOLTAJE % Sabiendo cuales son los alimentadores y los ramales verifique que la caída de voltaje entre la suma de ellos no exceda el 5 % permitido. 48 1.4.6 CUESTIONARIO. • ¿Si se utilizara conductor de aluminio en lugar del cobre con los calibres idénticos en todo el circuito de cuanto sería la caída de voltaje desde la entrada al cuerpo terminal hasta la carga? • Por qué es necesario que a la hora de medir continuidad en la alimentación de la caja térmica para la prueba de cortocircuito nos dé un valor distinto de 0? • ¿Qué significa una resistencia aproximadamente de cero en el circuito armado en la prueba de cortocircuito? ¿Y a qué se debe? Explique. • ¿De cuánto sería la caída de voltaje si en lugar de utilizar calibre 6 para la acometida utilizáramos calibre 14? 49 1.4.7 ANEXOS. Tabla 1.4.Tipos de conductores eléctricos y sus características. Tipo de aislamiento. T° Max. De Designación servicio. °C Tensión Max. De Servicio. V(ca) Monoconductor con aislación de PVC. T 60 600 Monoconductor con aislamiento de PVC resistentes a la humedad. THW(1) 60 600 Monoconductor con aislación de PVC y cubierta de un Nylon resistente a la THHN humedad, mayor temperatura, a los lubricantes y combustibles. 75 Condiciones de Empleo En interiores con ambiente seco, colocación dentro de tubos embutidos o sobrepuestos o directamente sobre aisladores. Id. T pero para ambiente seco o húmedo y mayor temperatura. 600 Id. THW, y para utilizarse en ambientes en que se manipulen lubricantes y combustibles. Multiconductor: aislación y chaqueta de PVC. TN-60 60 600 Para instalar en recintos secos y húmedos a la intemperie, sin exponerse a rayos solares en canales directamente enterradas en el suelo y bajo el agua con protección adicional cuando esté expuesto a posibles daños mecánicos. Cable multiconductor con aislación de PVC resistente a mayores temperaturas. TN-90 90 600 Id. TN-75 con mayor temperatura. 600 Ambiente húmedo y corrosivo sobrepuesto en canales, instalaciones subterráneas en ductos, directamente bajo tierra, en agua y a la interperie sin exponerse a los rayos solares. Monoconductor con aislación de polietileno y chaqueta de PVC. TTU(1) PT 75 50 CAPACIDADES DE CONDUCCION DE CORRIENTE DE CABLES DE BAJA TENSION. Capacidad de conducción de corriente en amperios de conductores aislados de 0 v a 2000 v, 60 º C a 90 º C. No más de 3 conductores en un cable o en una canalización o directamente enterrados para temperatura ambiente de 30 º C. Tabla 1.5 Capacidades de Conducción de Corriente de cables de baja tensión Calibre AWG o kCM Area de la sección transversal mm 18 16 14 12 10 8 6 4 2 1 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500 600 750 1000 0.824 1.31 2.08 3.31 5.26 8.37 13.3 21.2 33.6 42.4 53.5 67.4 85 107 127 152 177 203 253 304 380 507 60°C Tipos TW TWD CCE 20 25 30 40 55 70 95 110 125 145 165 195 215 240 260 280 320 355 400 455 Temperatura máxima de operación 75°C 90°C 75°C 90°C Tipos Tipos Tipos Tipos RHW RHH, RHW-2 RHW RHH, RHW-2 THW,THW-LS THW-2, THHW XHHW XHHW THHW, THWN THHW-LS BM-AL XHHW-2 XHHW THWN-2, THHW DRS XHHW, XHHW-2 Cobre Aluminio 14 18 20 25 25 30 35 40 50 55 65 75 50 60 85 92 65 75 115 130 90 100 130 150 100 115 150 170 120 135 175 195 135 150 200 225 155 175 230 260 180 205 255 290 205 230 285 320 230 255 310 350 250 280 355 380 270 305 380 430 310 250 420 475 340 285 475 535 385 435 545 615 445 500 51 Tabla 1.6 Factores de Corrección Temperatura Para temperatura ambiente diferente de 30°C, multiple las ambiente °C capacidades de corriente por el factor de corrección correspondiente. 21-25 26-30 31-35 36-40 41-45 46-50 51-55 1.08 1 0.91 0.82 0.71 0.58 0.41 1.05 1 0.94 0.88 0.82 0.75 0.67 1.04 1 0.96 0.91 0.87 0.82 0.76 1.05 1 0.94 0.88 0.82 0.75 0.67 1.04 1 0.96 0.91 0.87 0.82 0.76 CAPACIDADES DE CONDUCCION DE CORRIENTE DE CABLES DE BAJA TENSION. Capacidad de conducción de corriente en amperios de cables mono conductores de 0 V a 2000 V, al aire libre y para una temperatura de 30 º C. Tabla 1.7 Capacidades de Corriente en Baja Tensión Area de la sección Calibre AWG transversal o kCM mm . 18 16 14 12 10 8 6 4 2 1 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 400 500 600 750 1000 0.824 1.31 2.08 3.31 5.26 8.37 13.3 21.2 33.6 42.4 53.5 67.4 85 107 127 152 177 203 253 304 380 507 60°C Tipos TW 25 30 40 60 80 150 140 165 195 225 260 300 340 375 420 455 515 575 655 780 Temperatura máxima de operación 75°C 90°C 75°C 90°C Tipos Tipos Tipos Tipos RHW RHH, RHW-2 RHW RHH, RHW-2 THW,THW-LS THW-2, THHW XHHW XHHW THHW, THWN THHW-LS XHHW-2 XHHW THWN-2, THHW USE-2 XHHW, XHHW-2 Cobre Aluminio 18 24 30 35 35 40 50 55 70 80 95 105 75 80 125 140 100 110 170 190 435 150 195 220 155 175 230 260 180 205 265 300 210 235 310 350 240 275 360 405 280 315 405 455 315 355 445 505 350 395 505 570 395 445 545 615 425 480 620 700 485 545 690 780 540 615 785 885 620 700 935 1055 750 845 52 Tabla 1.8 Factores de Corrección Para temperatura ambiente diferente de 30°C, multiple Temperatura ambiente °C las capacidades de corriente por el factor de corrección correspondiente. 21-25 26-30 31-35 36-40 41-45 46-50 51-55 1.08 1 0.91 0.82 0.71 0.58 0.41 1.05 1 0.94 0.88 0.82 0.75 0.67 53 1.04 1 0.96 0.91 0.87 0.82 0.76 1.05 1 0.94 0.88 0.82 0.75 0.67 1.04 1 0.96 0.91 0.87 0.82 0.76 1.5 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 5. TIPOS DE CANALIZACIONES SUPERFICIALES Y EMPOTRADAS DE TIPO INDUSTRIAL. 1.5.1 OBJETIVOS • Conocer los distintos tipos de canalizaciones que se utilizan en la actualidad. • Conocer las propiedades de cada uno de los tipos de canalización a utilizar en una instalación. • Saber donde, cuando y en que tipo de instalación eléctrica se debe de utilizar una canalización determinada. • Aprender a utilizar las tablas de factores de reducción debido a la capacidad de llevar conductores dentro de una tubería. • Poder seleccionar el calibre adecuado de la tubería a utilizar dependiendo del número de conductores que se necesiten transportar. • Elaborar circuitos eléctricos sencillos en donde se utilicen los distintos tipos de canalizaciones. 1.5.2 EXPOSICIÒN ¿Que son las canalizaciones eléctricas? Se entiende por canalizaciones eléctricas a los dispositivos que se emplean en las instalaciones eléctricas para contener a los conductores de manera que queden protegidos contra deterioro mecánico y contaminación, y que además protejan a las instalaciones contra incendios por arcos eléctricos que se presenten en condiciones de cortocircuito. Los medios de canalización más comunes en las instalaciones eléctricas son: • Tubos-conduit. • Ductos. • Bandejas. TUBOS CONDUIT. El tubo conduit es usado para contener y proteger los conductores eléctricos usados en las instalaciones. Estos tubos pueden ser de aluminio, acero o aleaciones especiales. Los tubos de acero a su vez se fabrican en los tipos pesado, semipesado y ligero, distinguiéndose uno de otro por el espesor de la pared. 54 TUBO CONDUIT DE ACERO PESADO Estos tubos conduit se encuentran en el mercado ya sea en forma galvanizada o bien con recubrimiento negro esmaltado, normalmente en tramos de 3.05 metros de longitud con rosca en ambos extremos. Se usan como conectores para este tipo de tubo los llamados coples, niples (corto y largo), así como niples cerrados o de rosca corrida. El tipo de herramienta que se usa para trabajar en los tubos conduit de pared gruesa es el mismo que se utiliza para tuberías de agua en trabajos de plomería. Estos tubos se fabrican en secciones circulares con diámetros que van desde los 13 mm (0.5 pulgadas) hasta 152.4 mm (6 pulgadas). La superficie interior de estos tubos como en cualquiera de los otros tipos debe ser lisa para evitar daños al aislamiento o a la cubierta de los conductores. Los extremos se deben limar para evitar bordes cortantes que dañen a los conductores durante el alambrado Los tubos rígidos de pared gruesa del tipo pesado y semipesado pueden emplearse en instalaciones visibles u ocultas, ya sea embebido en concreto o embutido en mampostería, en cualquier tipo de edificios y bajo cualquier condición atmosférica. También se pueden usar directamente enterrados, recubiertos externamente para satisfacer condiciones más severas. En los casos en que sea necesario realizar el doblado del tubo metálico rígido, éste debe hacerse con la herramienta apropiada para evitar que se produzcan grietas en su parte interna y no se reduzca su diámetro interno en forma apreciable. Para conductores con aislamiento normal alojados en tubo conduit rígido, se recomienda que el radio interior de las curvas sea igual o mayor que el diámetro exterior del tubo multiplicado por seis. Cuando los conductores poseen cubierta metálica, el radio de curvatura debe ser hasta 10 veces el diámetro exterior del tubo. El número de curvas en un tramo de tubería colocado entre dos cajas de conexiones consecutivas o entre una caja y un accesorio, o bien, entre dos accesorios, se recomienda que no exceda a dos de 90º (180º en total). TUBO CONDUIT METÁLICO DE PARED DELGADA (THIN WALL) A este tubo se le conoce también como tubo metálico rígido ligero. Su uso es permitido en instalaciones ocultas o visibles, ya sea embebido en concreto o embutido en mampostería en lugares de ambiente seco no expuestos a humedad o ambiente corrosivo. No se recomienda su uso en lugares en los que, durante su instalación o después de ésta, se encuentre expuesto a daños mecánicos. Tampoco debe usarse directamente enterrado o en lugares húmedos, así como en lugares clasificados como peligrosos. 55 El diámetro máximo recomendable para esta tubería es de 51 mm (2 pulgadas) y debido a que la pared es muy delgada, en estos tubos no debe hacerse roscado para atornillarse a cajas de conexión u otros accesorios, de modo que los tramos deben unirse por medio de accesorios de unión especiales. Figura 5. 1 Tubo Conduit para pared delgada TUBO CONDUIT FLEXIBLE (CORAZA METALICA) En esta designación se conoce al tubo flexible común fabricado con cinta engargolada (en forma helicoidal), sin ningún tipo de recubrimiento. A este tipo de tubo también se le conoce como Greenfield. Se recomienda su uso en lugares secos y donde no se encuentre expuesto a corrosión o daño mecánico. Puede instalarse embutido en muro o ladrillo, así como en ranuras. No se recomienda su aplicación en lugares en los cuales se encuentre directamente enterrado o embebido en concreto. Tampoco se debe utilizar en lugares expuestos a ambientes corrosivos, en caso de tratarse de tubo metálico. Su uso se acentúa en las instalaciones de tipo industrial como último tramo para conexión de motores eléctricos. En el uso de tubo flexible el acoplamiento a cajas, ductos y gabinetes se debe hacer utilizando los accesorios apropiados para tal objeto. Asimismo, cuando este tubo se utilice como canalización fija a un muro o estructura, deberá sujetarse con abrazaderas que no dañen al tubo, debiendo colocarse a intervalos no mayores a 1.50 metros. 56 Figura 5. 2 Coraza Metálica CAJAS Y ACCESORIOS PARA CANALIZACIÓN CON TUBO CONDUIT Todas las conexiones o uniones entre conductores deben ser realizadas dentro de cajas de conexión diseñadas y aprobadas para este fin. Estas cajas deben estar instaladas en lugares en los que resulten accesibles para poder realizar cambios y modificaciones en el cableado. Además, todos los apagadores y salidas para lámparas, así como los contactos, deben encontrarse alojados en cajas. Estas cajas se construyen de metal o de plástico, según su uso. Las cajas metálicas se fabrican con acero galvanizado en cuatro formas: cuadradas, octagonales, rectangulares y circulares. Las hay en varios anchos, profundidades y perforaciones que faciliten el acceso de las tuberías. Estar perforaciones se localizan en las paredes laterales y en el fondo. DIMENSIONES DE CAJAS DE CONEXIÓN TIPO RECTANGULAR: 6 X 10 cm de base y 3.8 cm de profundidad con perforaciones para tubería conduit de 13 mm. REDONDAS: Diámetro de 7.5 cm y 3.8 cm de profundidad para tubo conduit de 13 mm. CUADRADAS: Tienen distintas medidas y se designan o clasifican de acuerdo con el diámetro de sus perforaciones, por ejemplo, cajas cuadradas de 13, 19, 25, 32 mm, etc. En instalaciones residenciales se utilizan principalmente cajas cuadradas de 13 mm, cuyas medidas son 3 x 3 pulgadas con 1.5 pulgadas de profundidad. Estas solamente sujetan tuberías de 13 mm. 57 Otros tipos de cajas cuadradas como la de 19 mm base de 4 x 4 pulgadas con profundidad de 1.5 pulgadas y con perforaciones para tuberías de 13 y 19 mm. Las de 25 mm son de 12 x 12 cm de base con 55 mm de profundidad y perforaciones para tubos de 13, 19 y 25 mm. Cuando se utilicen cajas metálicas en instalaciones visibles sobre aisladores o con cables con cubierta no metálica, o bien, con tubo no metálico, es recomendable que dichas cajas se instalen rígidamente a tierra. En los casos de baños y cocinas, este requisito es obligatorio. En este caso debe tenerse cuidado que los conductores queden protegidos contra la abrasión. Las cajas no metálicas se pueden usar en: instalaciones visibles sobre aisladores, con cables con cubierta no metálica y en instalaciones con tubo no metálico. REGISTROS CONDULET Estos registros se utilizan en instalaciones visibles, tienen una o varias salidas para acoplamiento con las tuberías, así como una tapa removible para realizar las conexiones. Su denominación depende del número o tipo de salidas que posea. Por su tipo de fabricación se clasifican en: • Ordinario • A prueba de polvo y vapor • A prueba de explosión Por su tipo de tapa se pueden clasificar en: • De paso: tapa ciega • De acople exterior: tapa con niple macho • De contacto: tapa de contacto doble, sencillo o salida especial. Figura 5. 3 Registro Condulet 58 ALOJAMIENTO DE CONDUCTORES EN TUBERÍAS CONDUIT. Normalmente los conductores en las instalaciones eléctricas se encuentran alojados ya sea en tubos conduit o en otro tipo de canalizaciones. Como se ha mencionado, los conductores se encuentran limitados en su capacidad de conducción de corriente debido al calentamiento, ya que se tienen limitaciones para la disipación del calor y también porque el aislamiento mismo representa limitaciones de tipo térmico. Debido a estar restricciones térmicas, el número de conductores dentro de un tubo conduit se limita de manera tal que permita un arreglo físico de conductores de acuerdo a la sección del tubo conduit o de la canalización, facilitando su alojamiento y manipulación durante la instalación. Para obtener la cantidad de aire necesaria para disipar el calor, se debe establecer la relación adecuada entre la sección del tubo y la sección ocupada por los conductores. Si A es el área interior del tubo y Ac es el área total ocupada por los conductores, el factor de relleno es: F= Ac A Ec. (1.8) F=0.53 para 1 conductor 0.51 para 2 conductores 0.40 para 4 o más conductores DUCTOS Estos son otros medios para la canalización de conductores eléctricos. Se usan solamente en las instalaciones eléctricas visibles ya que no pueden meterse embutidos en pared, ni dentro de columnas de concreto. Los ductos se fabrican en lámina de acero acanalada de sección cuadrada o rectangular. Las tapas se montan atornilladas. Su aplicación más común se encuentra en instalaciones industriales y laboratorios. Los conductores se colocan dentro de los ductos en forma similar a los tubos conduit. Pueden utilizarse tanto para circuitos alimentadores como para circuitos derivados. Su uso no está restringido a los que se mencionaron en el párrafo anterior, ya que también pueden emplearse en edificios multifamiliares y oficinas, por ejemplo. La instalación de ductos debe hacerse tomando algunas precauciones, como evitar su cercanía con tuberías transportadoras de agua o cualquier otro fluido. Su uso se restringe para áreas consideradas como peligrosas. 59 Figura 5. 4 Ductos Los ductos ofrecen muchas ventajas en comparación con la tubería conduit: ofrecen mayor espacio para el alojamiento de conductores, también son más fáciles de cablear. En un mismo ducto se pueden tener circuitos múltiples, así se aprovecha mejor la capacidad conductiva de los cables al tenerse una mayor disipación de calor. La desventaja es que necesitan mayor mantenimiento. Se permite un máximo de 30 conductores hasta ocupar un 20% del interior del ducto. En el caso de empalmes o derivaciones puede ser hasta un 75%. El empleo de ductos en instalaciones industriales, de laboratorios, edificios de viviendas o edificios de oficinas tienen ciertas ventajas como: • Facilidad de instalación. • Se vende en tramos de diferentes medidas, lo que hace su instalación más versátil. • Facilidad y versatilidad para la instalación de conductores dentro del ducto, teniéndose la posibilidad de agregar más circuitos a las instalaciones ya existentes. • Son 100% recuperables: al modificarse una instalación se desmontan y pueden ser usados nuevamente. • Fáciles de abrir y conectar derivaciones. • Ahorro en herramienta y en mano de obra para la instalación. • Facilitan la ampliación de las instalaciones. 60 ESCALERIAS. En el uso de escalerías se tienen aplicaciones parecidas a las de los ductos con algunas limitantes propias de los lugares en los que se hace la instalación. En cuanto a la utilización de escalerías se dan las siguientes recomendaciones: • Procurar alinear los conductores de manera que queden siempre en posición relativa en todo el trayecto, especialmente los de grueso calibre. • En el caso de tenerse un gran número de conductores delgados, es conveniente realizar amarres a intervalos de 1.5 a 2 metros aproximadamente, procurando colocar etiquetas, procurando colocar etiquetas de identificación cuando se trate de conductores pertenecientes a varios circuitos. En el caso de conductores de grueso calibre, los amarres pueden hacerse cada 2 ó 3 metros. • En la fijación de conductores que viajan a través de escalerías por trayectorias verticales largas es recomendable que los amarres sean hechos con abrazaderas. Figura 5. 5 Escalerías 1.5.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • ¿Qué es una canaleta eléctrica? • Mencione los distintos tipos de canalizaciones que existen y describa brevemente en qué situación se deben de utilizar. • ¿Cuál es el máximo porcentaje del área de un ducto que puede ser utilizado por conductores y diga en qué situación específica se puede hacer? • Mencione 4 ventajas de utilizar ductos eléctricos. 61 1.5.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS. • Cuerpo terminal. • Caja Térmica. • Caja de registro. • Cajas Rectangular tipo pesado. • Caja Octagonal tipo pesado. • Receptáculo. • 1 Toma corriente doble. • Tubería EMT de 1 plg. • Conector EMT de tornillo. • Alambre Galvanizado # 16. • Abrazadera conduit. • Scotch lock. • Luminaria. • Cable TNM Calibre 12X3. • Cable THHN Calibre 12 - 6 - 10 y 14. • Bushing. • 1 interruptor de dos vías. • Coraza galvanizada. • Cinchos plásticos. 1.5.5 PROCEDIMIENTO. PARTE A: Diseñe un circuito eléctrico de conexiones que conste de un tomacorriente doble y el control de una luminaria desde un lugar, identifique correctamente cada uno de los elementos a utilizar en la práctica y si tiene alguna duda consulte a su instructor. Tome el cuerpo terminal y colóquelo al lado izquierdo del modulo de trabajo teniendo cuidado de ubicarlo fijamente. Ahora tome la tubería conduit de 1 pulgada y ajústela correctamente con la camisa conduit de 1 pulgada al cuerpo terminal. Ahora tome la caja térmica y colóquela en el módulo amarrándola fijamente con alambre galvanizado por la parte de atrás. Del contador eléctrico a la caja térmica se colocara coraza galvanizada para el debido transporte de los conductores. 62 Ahora tome la caja de registro de 8x6x4 pulgadas y amárrela al modulo con alambre de amarre. De la misma forma coloque tubería EMT aluminio de la caja térmica a la caja de distribución. Finalmente fije las 2 cajas rectangulares tipo pesado una para el interruptor y la otra para el tomacorriente doble así como también la caja octagonal tipo pesado para la luminaria recordando que las uniones entre ellas deben hacerse con Tubería EMT aluminio. A cada una de las uniones de tubería con caja se le colocara su respectivo conector EMT de tornillo y su bushing para no dañar el conductor. PARTE B: En esta parte se procederá a armar el circuito eléctrico. . Es bueno recordar que las protecciones termo magnéticas deberán de ser cargadas al 80 % de su capacidad nominal. En esta práctica lo importante es identificar y utilizar adecuadamente cada una de las tuberías, recordando que este tipo de canalizaciones se utilizan en instalaciones industriales de tipo superficial en donde se necesita una buena protección para el cuidado de los conductores debido a lo cual toda la tubería es metálica y las cajas rectangulares y octagonales son de tipo pesado. Este tipo de canalizaciones se colocan en las paredes con abrazaderas para tubería EMT y son sujetadas con una pistola de clavos HILTI, pero para nuestro caso todo se hará con cinchos plásticos para efectos prácticos. CABLEADO Y ARMADO DEL CIRCUITO. Introduzca en cada una de las canalizaciones ya empotradas en el módulo el alambre galvanizado el cual nos servirá como guía para introducir más fácilmente los conductores en las tuberías. Ahora amarre a la punta del alambre galvanizado los conductores que serán introducidos en la tubería, e introdúzcalos teniendo cuidado de no dañarlos. Toda la tubería metálica tipo EMT y coraza galvanizada debe conectarse a tierra para evitar un accidente. Realice pruebas de cortocircuito y si no hay ningún problema alimente el circuito armado. 1.5.6 CUESTIONARIO. • ¿Porque es necesario que toda la tubería metálica se conecte a tierra y si no se hiciera que sucedería? ¿En qué lugares en más conveniente utilizar tubería conduit y coraza galvanizada? Explique. • Mencione 4 tipos de canalizaciones eléctricas industriales y explique su utilización. 63 1.5.7 ANEXOS. Tabla 1.9 Número Máximo de Conductores Aislados en Tubería Conduit. CALIBRE AWG MCM TW,T 14 RUH TWW 12 XHHW 10 8 RHW 14 RHH(R-90) 12 Sin cubierta 10 THW 8 6 4 3 TW,T,THW 2 1 1/0 2/0 3/0 RUH(del 6 al 2) 4/0 RUW(del 6 al 2) 250 300 RHW 350 RHH(R-90) 400 Sin cubierta 500 600 700 750 14 12 THWN. 10 THHN. 8 XHHW. 6 (del 4 AWG 4 al 500 MCM 3 2 1 TIPOS DIAMETRO DEL TUBO CONDUIT EN PULGADAS 9 7 5 2 6 4 4 1 1 1 1 1 1 25 19 15 7 16 13 11 5 4 3 2 2 1 1 1 1 1 1 15 12 9 4 10 8 6 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 13 10 6 3 1 1 1 1 21 18 11 5 4 2 1 1 1 39 29 18 9 6 4 3 3 1 64 44 35 26 12 29 24 19 10 7 5 4 4 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 69 51 32 16 11 7 6 5 3 60 47 36 17 40 32 26 13 10 7 6 5 4 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 94 70 44 22 15 9 8 7 5 99 78 60 28 66 53 43 22 16 12 10 9 6 5 5 4 3 2 2 1 1 1 1 1 1 154 114 73 36 26 16 13 11 8 142 111 85 40 93 76 61 32 23 17 15 13 9 8 7 6 5 4 3 3 2 1 1 1 1 171 131 62 143 117 96 49 36 27 23 20 14 12 10 9 7 6 5 4 4 3 3 2 2 154 104 51 37 22 19 16 12 160 79 106 136 57 78 98 35 47 60 29 39 51 25 33 43 18 25 32 176 84 108 192 157 127 163 66 85 48 62 38 47 31 40 27 34 19 25 16 21 14 18 12 15 10 13 8 10 7 9 6 8 5 7 4 6 4 5 3 4 3 4 1.6 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 6 INSTALACION SUBTERRANEA. 1.6.1 OBJETIVOS • Conocer los distintos tipos de canalizaciones subterráneas que se utilizan en la industria. • Aprender a diseñar un plano en detalle de pozo de registro brindando las tuberías que lo conforman y su debida orientación. • Diferenciar los tipos de tubería eléctrica PVC y utilizarla en los sitios adecuados dependiendo del tránsito externo de la zona en que se encuentra enterrada la tubería. 1.6.2 EXPOSICION En cualquier tipo de instalación subterránea, la calidad de la instalación es uno de los factores más importantes en el comportamiento a largo plazo de los ductos utilizados. En muchas aplicaciones de tuberías de polietileno hay diferentes propuestas que pueden ayudar a realizar procedimientos de instalación más seguros y más rápidos. CONTROL DE LA DEFLEXIÓN. La capacidad de carga que tiene una tubería puede ser incrementada por la tierra cuando ésta es encajada. Cuando la tubería es cargada, el peso es transferido de la tubería a la tierra por un movimiento exterior horizontal de la pared de la tubería. Esto mejora el contacto entre la tubería y la tierra y refuerza a su vez la resistencia pasiva de la tierra. Esta resistencia ayuda a prevenir más allá de la deformación de la tubería y contribuye al soporte vertical de los pesos. La cantidad de resistencia encontrada en la tierra asentada es consecuencia directa del procedimiento de instalación. Figura 6. 1 Control de deflexión 65 El objetivo principal en una instalación de tubería de polietileno es limitar el control de la deflexión. La deflexión de la tubería es la suma total de dos componentes: la “deflexión en la instalación” que refleja la técnica y cuidado de la tubería que se maneja; y la “deflexión en servicio” que refleja el acomodamiento de la construcción del sistema tubería-tierra, la subsiguiente fuerza y otras cargas. La “deflexión en servicio”, es normalmente una disminución en el diámetro vertical de la tubería, La “Deflexión en la instalación”, puede ser un incremento o disminución en el diámetro vertical de la tubería. Un incremento en el diámetro vertical de la tubería, se refiere al “levantamiento” y es usualmente un resultado de los esfuerzos que actúan en la tubería durante la compactación y el relleno. Hasta cierto punto esto beneficia la compensación de la deflexión en servicio. EXCAVACIÓN DE LA ZANJA. La zanja debe excavarse de acuerdo a la alineación requerida y profundidad necesaria. El ancho de la zanja variará con su profundidad y también con el tipo de arena presente. Se recomienda abrir zanjas para la instalación de acuerdo a la longitud de la tubería ensamblada sobre la zanja. El ancho de la cama debe permitir una adecuada compactación alrededor de la tubería. El material excavado, si es piedra libre y se fractura bien por la excavadora, puede proporcionar un apropiado asiento del material. PREPARACIÓN DEL FONDO DE LA ZANJA. Para sistema de presión como acueductos, distancias de líneas de transmisión largas, la nivelación exacta de los fondos de las zanjas no es esencial a menos que se especifique en el trazado. Para los sistemas de alcantarillados y drenajes por gravedad, la cuesta debe graduarse tan uniformemente como se haría para otros materiales. El fondo de la zanja debe estar relativamente liso y libre de piedra. Deben quitarse objetos que puedan causar punto de carga en la tubería y el fondo de la zanja debe rellenarse usando de 4 a.6 pulgadas de consolidación de la fundación. Si la condición de la tierra es inestable, el fondo de la zanja debe socavarse y llenarse la profundidad de la zanja con el material seleccionado apropiado. Recomendaciones Prácticas para la Instalación Subterránea de Tuberías • El fondo de la zanja debe estar liso, seco y estabilizado si es necesario. • Si se requiere de material para la fundación, éste debe ser de un material convenientemente identificado. • El material debe nivelarse y compactarse a un mínimo de 85%. 66 • Colocar el material de relleno de zanja debajo de la tubería. • Se requiere consolidar alrededor de la superficie de la tubería usando las herramientas convenientes. • El relleno de zanja debe colocarse en una primera y segunda capa uniformemente, que no exceda de 12 pl. Y cada capa debe compactarse a un mínimo de 85% STANDARD PROCTOR DENSITY. • Los primeros rellenos de zanjas deben normalmente extenderse a una altura igual al 75% del diámetro de la tubería. • El relleno de zanja final, debe ser de material que esté libre de piedras grandes u objetos punzo-penetrantes. • Se debe obtener una compactación adecuada antes de que cualquier equipo se maneje encima de la tubería. • Se debe colocar tubería de color blanco donde sea paso peatonal. • Se debe de colocar tubería de color anaranjado donde sea paso de vehículo liviano. • Se debe de colocar tubería de color amarillo donde sea paso de equipo pesado (Camiones, rastras, tractores etc.) 67 TIPOS DE POZOS DE REGISTRO ELÉCTRICO SEGÚN UTILIZACION: Figura 6. 2 Pozos de Registro 68 Figura 6. 3 Dimensiones de pozos de registro 69 1.6.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • ¿De qué depende el color de la tubería que se utiliza para una canalización subterránea? • Mencione 3 características que posee una canalización subterránea bien hecha. • ¿Por qué se debe de guardar una separación entre las tuberías de PVC? • ¿Qué tipo de material se le coloca al fondo de los pozos ya terminados para permeabilizar el terreno y en caso de una filtración de agua no se produzca ninguna falla? 1.6.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS. Debido a que esta práctica será demostrativa no se utilizará ningún equipo. Sin embargo el estudiante debe llevar una cinta métrica y una cámara (opcional). 1.6.5 PROCEDIMIENTO. En esta parte el instructor dará al grupo de estudiantes de ingeniería eléctrica un recorrido por la universidad, mostrándoles cada uno de los pozos de registro que se han utilizado, principalmente les mostrará los pozos que se encuentran en el jardín de los edificios “D “ En esta parte cada uno de los estudiantes verificará si los pozos se encuentran construidos de acuerdo a las normas establecidas previamente en la parte teórica y además observará si las tuberías poseen entre sí las distancias mínimas requeridas. 1.6.6 CUESTIONARIO. • ¿Cumplen con las normas de construcción los pozos de registro observados? • ¿De qué color y diámetro es la tubería utilizada para el transporte de los conductores en los pozos? • Basándonos en sus conocimientos previos ¿Qué porcentaje del área de cada tubería de PVC se puede utilizar para el transporte de conductores eléctricos? • Explique por qué se debe respetar la regla de la pregunta anterior y que sucedería si no se cumpliera con dicha norma. 70 1.6.7 ANEXOS. EJEMPLOS DE TUBERIAS INSTALADAS: Figura 6. 4 Tuberías Instaladas Tubería con sus separaciones de hierro para dar mejor soporte y guardar distancias entre los distintos niveles. POSICIONES DE TUBERÍAS EN POZO DE REGISTRO. Figura 6. 5 Posiciones de tubería en pozos de Registro 71 1.7 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 7 CLASIFICACIÓN DE LOS LOCALES EN LOS QUE SE REALIZAN INSTALACIONES ELÉCTRICAS 1.7.1 OBJETIVOS • Que el alumno conozca los diferentes locales en los cuales se pueden realizar distintos tipos de Instalaciones Eléctricas. • Que el alumno verifique en base a las Normativas del Código Nacional Eléctrico (NEC), la debida utilización de los locales. • Que el alumno aprenda a trabajar en Diseño de Instalaciones Eléctricas utilizando las Normas Nacionales e Internacionales que se relacionen a la utilización de los diferentes locales para Instalaciones Eléctricas. 1.7.2 EXPOSICION Áreas peligrosas Los ambientes se clasifican dependiendo de las propiedades de los vapores, líquidos o gases inflamables, o de polvos o fibras combustibles que puedan estar presentes, así como la posibilidad de que se encuentren en cantidades o concentraciones inflamables o combustibles Cuando los materiales pirofóricos (los materiales pirofóricos son aquellos que se inflaman espontáneamente en el aire) son los únicos usados o manipulados, estas áreas no deben ser clasificadas. Cada cuarto, sección o área debe ser considerada individualmente al determinar su clasificación. Áreas Clase 1 Las áreas Clase I son aquellas en las cuales están o pueden estar presentes en el aire, gases o vapores inflamables en cantidades suficientes para producir mezclas explosivas o inflamables. Áreas Clase 2 Las áreas Clase II, son aquellas peligrosas debido a la presencia de polvo combustible. Áreas Clase 3 Las áreas Clase III son aquellas peligrosas debido a la presencia de fibras o partículas volátiles de fácil ignición, pero en las cuales es poco probable que dichas partículas permanezcan en suspensión en suficientes cantidades para producir mezclas inflamables. 72 Talleres de Servicio, de Reparación y estacionamientos para vehículos automotores. Estos lugares incluyen locales empleados para trabajos de servicio y reparación de vehículos automotores (incluyendo automóviles, autobuses, camiones, tractores, etc.). En los cuales los líquidos volátiles inflamables son usados como combustible o fuente de energía. Los talleres de servicio, estacionamientos, áreas de almacenamiento, y lugares donde no se hagan trabajos de reparación, sino sólo se intercambien partes y se dé mantenimiento de rutina que no requiera el uso de equipo eléctrico, flama expuesta, soldadura o el uso de líquidos volátiles inflamables, no son áreas clasificadas, pero deben estar adecuadamente ventilados para sacar los vapores contaminados de las máquinas. Hangares de Avión Un hangar de aviación es un lugar usado para alojar o dar servicio a las aeronaves en las que se usan gasolina, u otros líquidos volátiles inflamables, o gases inflamables, o cualquier combustible para aeronaves con propulsión a chorro. No incluye lugares usados exclusivamente para aeronaves que nunca han contenido tales líquidos o gases, o que han sido vaciados, o drenados y purgados apropiadamente (sin combustible). Surtidores (Dispensarios) y estaciones de servicio y autoconsumo Surtidor (dispensario): Es el elemento con el cual se abastece de combustible a vehículos automotores. Estación de servicio: Establecimiento para la venta al menudeo de gasolina y diesel al público en general, suministrándolos directamente de depósitos confinados, a los tanques de los vehículos automotores, así como de aceites y grasas lubricantes. Estación de autoconsumo: Establecimiento para el despacho de gasolina y diesel, así como de aceites y grasas lubricantes a los vehículos de empresas particulares e instituciones gubernamentales, suministrándolos directamente de depósitos confinados a los tanques de dichos vehículos. Plantas de Almacenamiento Una planta de almacenamiento es un lugar donde se reciben líquidos inflamables por medio de buques-tanque, conductos, carros-tanque o autos-tanque donde los líquidos son almacenados para propósitos de distribución, por medio de buques-tanque, ductos, carros-tanque, autos-tanques o tanques portátiles o contenedores. Procesos de Acabado Cubre con la aplicación, regular o frecuente, de líquidos inflamables, líquidos combustibles y polvos combustibles mediante operaciones de rociado o aspersión y la aplicación de líquidos 73 inflamables o líquidos combustibles a temperaturas por encima de su punto de vaporización, por medio de inmersión, recubrimiento u otros medios. Instalaciones en lugares de atención de la Salud. Se establecen criterios para la construcción e instalaciones en áreas de atención de la salud. Los requisitos se aplican no sólo a edificios con funciones únicas sino también a aquéllos en forma individual considerando sus respectivas formas de trabajo y que estén dentro de un edificio de múltiples funciones. Lugares de Reunión Hay requisitos para todos los inmuebles o parte de ellos o estructuras diseñados para reuniones de 100 o más personas. Entre la clasificación general de estos tenemos: • • Auditorios en: o Establecimientos de negocios o Establecimientos comerciales Escuelas Otras instalaciones o Bares, cantinas y discotecas o Boliches y billares o Capillas funerarias o Comedores o Cuarteles o Gimnasios o Iglesias y templos o Mercados o Museos o Pistas de patinaje o Restaurantes o Salas de conferencias o Salas de espera de pasajeros o Salas de exhibición o Salas de juzgados o Salones de baile o Salones de clubes o Salones de reunión 74 o Salones de usos múltiples o Salas de albercas o Teatros y cines La ocupación de cualquier salón o espacio para propósitos de reunión de menos de 100 personas en un edificio o en otro local que está destinado para otro uso, deberá clasificarse como parte del otro local, es decir, para los fines a que está destinado y estará sujeto a las disposiciones que le sean aplicables. Cuando una plataforma o saliente de una estructura de un edifico o parte del mismo se destina para escenario, o para representaciones teatrales o musicales, ya sea fija o portátil, el alambrado de esta área y todo el equipo usado en ésta, así como el equipo portátil y la instalación para uso en producciones musicales que no esté conectado en forma permanente, debe cumplir con lo establecido. Teatros, áreas de audiencia en cines y estudios de televisión y lugares similares. Aplica a todos los edificios o parte de ellos, diseñados o usados para representaciones teatrales, musicales, proyecciones cinematográficas, o usos similares y áreas específicas para audiencias dentro de estudios de cine y televisión. Carnavales, circos, ferias y eventos similares. Cubre la instalación de equipo y alambrado portátil para carnavales, circos, exhibiciones, ferias, atracciones turísticas y eventos similares, incluyendo el alambrado en o sobre todas las estructuras. Estudios de cine, televisión y lugares similares. Se aplica a estudios de cine y televisión que usen ya sea cámaras de película o electrónicas, y estaciones de cambio, fábricas, laboratorios, escenarios o partes de un edificio donde se expongan películas o cintas de más de 22 mm de ancho, impresas, cortadas, editadas, enrolladas, reparadas o almacenadas. Proyectores de Cine Se aplican a las cabinas de proyección cinematográficas, a los proyectores cinematográficos y al equipo asociado del tipo profesional o no-profesional que use fuentes luminosas incandescentes, de arco de carbón, de xenón, o de cualquier otro equipo que genere gases, polvos o radiaciones peligrosas. 75 Edificios Prefabricados Se establecen los requisitos para los edificios prefabricados y los componentes de edificios. Algunos conceptos importantes son: • Edificio prefabricado: Cualquier edificio de construcción cerrada que sea manufacturado o ensamblado en fábrica, dentro o fuera del sitio de la obra, o ensamblado e instalado en el sitio previsto para el edificio, y que no es una casa prefabricada, vivienda móvil, remolque ni vehículo de recreo. • Componentes de un edificio: Cualquier subsistema, subconjunto u otro sistema de diseñado para usarse dentro, integrarse o formar parte de una estructura, la cual puede incluir sistemas estructurales, mecánicos, hidrosanitarios, eléctricos, de protección contra incendios y contra otros agentes que afecten la salud y la seguridad. • Sistemas de un edificio: El conjunto de planos, especificaciones y documentos de un sistema de edificios prefabricados o para un tipo o sistema de componentes de un edificio, el cual pueda incluir sistemas estructurales, eléctricos, mecánicos, hidrosanitarios, de protección contra incendios y contra otros agentes que afecten la salud y la seguridad, y que incluyan las variaciones que estén específicamente permitidas por los reglamentos de construcción, en los cuales las variaciones se presenten como parte del sistema del edificio o como modificaciones del mismo. • Construcción cerrada: Cualquier edificio, componente de un edificio, conjunto, o sistema prefabricado de forma que ninguna de las partes ocultas en el proceso de fabricación no puedan inspeccionarse antes de su instalación en el sitio de la obra, sin desarmar, dañar o destruir. Construcciones Agrícolas Se aplica a las construcciones agrícolas o partes de construcciones agrícolas o a aquella parte de un edificio o áreas adyacentes de naturaleza similar o parecida, según se especifica a continuación: a. Polvo excesivo y polvo con agua. Las construcciones agrícolas en las que se pueda acumular polvo excesivo o polvo con agua, incluyendo todas las áreas de las aves de corral, ganado y sistemas de confinamiento de peces, donde pueda acumularse polvo esparcido o polvo de alimento, incluyendo partículas de alimento mineral. b. Atmósfera corrosiva. Construcciones agrícolas donde existan atmósferas corrosivas. Tales construcciones incluyen áreas donde (1) el excremento de las aves y los animales puede causar vapores corrosivos; (2) partículas corrosivas pueden combinarse con agua; (3) el área es húmeda y mojada por razones de lavado periódico para limpieza y saneamiento con agua y agentes limpiadores, (4) existencia de condiciones similares. 76 Casas Móviles, casas prefabricadas y sus estacionamientos. Cubren a los conductores y equipo eléctrico instalados dentro o sobre casas móviles, a los conductores que las conectan al suministro de energía, y a la instalación del alambrado eléctrico, luminarias, equipo y accesorios relacionados con la instalación eléctrica dentro de un estacionamiento de casas móviles hasta los conductores de entrada de acometida, o cuando no exista, al equipo de acometida de la casa móvil. 1.7.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS • ¿Cuáles son los locales más comunes en la UCA? • ¿Cuáles son las características de un área clase 1? • ¿Cuáles son las características de un área clase 2? • ¿Cuáles son las características de un área clase 3? • Mencione algunos conceptos importantes a tomar en cuenta en las instalaciones de edificios prefabricados. 1.7.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDO • Cámara fotográfica (opcional). • Guía de trabajo. 1.7.5 PROCEDIMIENTO Los alumnos, dirigidos por su instructor, realizarán un recorrido por los distintos tipos de instalaciones eléctricas, con los cuáles cuenta la universidad. Deben poner especial atención a los elementos utilizados en cada una de éstas, tomando fotografías si se tiene acceso. Sitios recomendados: • Centros de cómputo. • Talleres. • Parqueos. • Oficinas administrativas. • Aulas magnas. • Centro polideportivo. • Clínica. 1.7.6 CUESTIONARIO • ¿Cuál es la función principal del Conductor especial en la instalación de los contactos en el centro de cómputo? 77 • Mencione las diferencias entre una luminaria instalada en el centro polideportivo y otra dentro de una oficina administrativa. • ¿Cumple la clínica con los requerimientos eléctricos necesarios para su funcionamiento? • Además de los sitios visitados, mencione con que otras áreas cuenta la universidad. 1.7.7 ANEXOS Figura 7. 1 Cyber Café 78 1.8 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 8. PARTES DE UNA INSTALACION ELECTRICA COMERCIAL E INDUSTRIAL. 1.8.1 OBJETIVOS • Conocer las partes fundamentales que componen a una instalación eléctrica industrial y/o comercial. • Conocer las normas básicas de construcción que rigen los proyectos de instalaciones. • Aclarar los principales conceptos que se involucran al alimentar una instalación eléctrica. • Identificar los elementos que forman parte de una instalación. 1.8.2 EXPOSICION Al momento de realizar una instalación, tomar en cuenta las disposiciones del NEC en los artículos 300-1, 300-2 y 300-3. CONCEPTO DE INSTALACION ELECTRICA Se entenderá como instalación eléctrica al conjunto de elementos necesarios para conducir y transformar la energía eléctrica, para que sea empleada en las máquinas y aparatos receptores para su utilización final. Cumpliendo con los siguientes requisitos: • Ser segura contra accidentes e incendios. • Eficiente y económica. • Accesible y fácil de mantenimiento. • Cumplir con los requisitos técnicos que fija el reglamento de obras e instalaciones eléctricas. ELEMENTOS DE UNA INSTALACIÓN ELECTRICA Dado que en esta práctica solo se tratarán las instalaciones de baja tensión (industriales), se mencionarán los elementos que intervienen en este tipo de instalaciones. En principio, en una instalación eléctrica intervienen como elementos principales para conducir, proteger y controlar la energía y los dispositivos receptores, los siguientes: • Conductores eléctricos. • Canalizaciones eléctricas. • Conectores para las canalizaciones eléctricas. • Accesorios adicionales. • Dispositivos de protección. Considerando que las instalaciones eléctricas pueden ser visibles, ocultas, parcialmente ocultas y a prueba de explosión, según sean las necesidades que se requieren en el servicio que se preste. 79 Para la selección de conductores tomar en cuenta las disposiciones del NEC en los artículos 310-2, 310-8 y 310-12. CONDUCTORES ELECTRICOS. En cualquier instalación eléctrica se requiere que los elementos de conducción eléctrica tengan una buena conductividad y cumplan con otros requisitos en cuanto a sus propiedades eléctricas y mecánicas, considerando desde luego el aspecto económico. Por esta razón la mayor parte de conductores empleados en instalaciones eléctricas están hechos de cobre o aluminio, que son comercialmente los materiales con mayor conductividad y con un costo lo suficientemente bajo como para que resulten económicos. Por lo general los conductores se fabrican de sección circular de material sólido o como cables, dependiendo de la cantidad de corriente por conducir y su utilización, aunque en algunos casos se elaboran en secciones rectangulares para altas corrientes. Desde el punto de vista de las normas, los conductores se han identificado con un número que corresponde a lo que comúnmente se conoce como calibre, y que normalmente se sigue el sistema americano de designación AWG (American Wire Gage), siendo el más grueso el número 4/0, siguiendo en orden descendente del área del conductor los números 3/0, 2/0, 1/0, 2, 4, 6, 8, 10, 12 y 14, que es el más delgado usado en instalaciones eléctricas. Para conductores con un área mayor del 4/0, se hace una designación que está en función de su área en pulgadas, para lo cual se emplea una unidad denominada el Circular Mil, siendo así como un conductor de 250 corresponderá a aquel cuya sección sea de 250,000 C.M. y así sucesivamente, entendiéndose como: Circular Mil: la sección de un círculo que tiene un diámetro de un milésimo de pulgada (0.001 plg). Número de conductores en un tubo conduit. El número de conductores dentro de un tubo conduit debe ser restringido, de tal manera que permita un arreglo físico de los mismos de acuerdo a la sección del tubo conduit, para que facilite el alojamiento y manipulación durante la instalación de los conductores y se considere también la cantidad de aire necesaria para que los conductores se mantengan a temperaturas adecuadas en base de un buen enfriamiento. Estas condiciones se logran estableciendo una relación adecuada entre las secciones del tubo y los conductores. Para el uso de canalizaciones analizar lo descrito en el NEC en sus artículos 352-1, 352-4, 352-8 y 352-21. CANALIZACIONES ELECTRICAS. Se entenderá por canalizaciones eléctricas a los dispositivos que se emplean en las instalaciones eléctricas para contener a los conductores, de manera que éstos queden protegidos en lo posible contra deterioro mecánico, contaminación, y a su vez, protejan a la instalación contra incendios por los arcos que se pueden presentar durante un corto circuito. 80 Los medios de canalización más comúnmente usados en las instalaciones eléctricas son los siguientes: • Tubos conduit. • Ductos. • Bandejas. Para el uso de tubería, tomar en cuenta las disposiciones descritas en la sección 346 del NEC. Tubos conduit. Actualmente existe en el mercado una gran diversidad de tubería conduit para emplearla en cada caso especial de que se trate. En tramos de 3.05 m de largo con cuerda en los extremos, a excepción de plástico y pared delgada, entre los que se pueden mencionar los siguientes: • Tubo de acero galvanizado de pared gruesa. • Tubo de acero galvanizado de pared delgada. • Tubo de acero esmaltado de pared gruesa. • Tubo de aluminio. • Tubo flexible. • Tubo de plástico flexible. Bandejas. En el uso de bandejas se tienen aplicaciones parecidas a las de los ductos, con algunas limitantes propias de los lugares en que se hace la instalación. En cuanto a la utilización de bandejas se dan las siguientes recomendaciones: • Procurar alinear los conductores de manera que guarden siempre la misma posición relativa en todo el trayecto de la bandeja, especialmente los de grueso calibre. • En el caso de muchos conductores delgados es conveniente hacer amarres a intervalos de 1.5 a 2.0 m aproximadamente, procurando colocar etiquetas de identificación cuando se traten de conductores de varios circuitos, en el caso de conductores de calibre grueso los amarres se pueden hacer cada 2.0 o 3.0 m. • En la fijación de conductores que vayan a través de bandejas por trayectorias verticales muy largas, es recomendable que los amarres se hagan con abrazaderas especiales en lugar de usar hilo de cáñamo. CONECTORES PARA CANALIZACIONES ELECTRICAS Se entenderán como conectores para canalizaciones eléctricas a aquellos elementos que sirvan para interconectar las canalizaciones eléctricas entre sí, o con los elementos que contienen a los dispositivos de control, protección o salidas para receptores. 81 Esos conectores son esencialmente de dos tipos: • Condulets. • Cajas de Conexión. Condulets. Los Condulets son básicamente cajas de conexión y accesorios empleados en instalaciones con tubo conduit de tipo visible, se fabrican de una aleación de aluminio y otros metales. Tienen tapas que se fijan por medio de tornillos y pueden tener empaques para evitar la entrada de polvo o gases. Los fabricantes los hacen en tres tipos principalmente: • Ordinario. • A prueba de polvo y vapor. • A prueba de explosión. Cajas de conexión. El montaje de accesorios eléctricos en instalaciones eléctricas de alumbrado o de fuerza, como son: contactos, apagadores, botones, salidas para alumbrado, etc., se fabrican de acero esmaltado o galvanizado, en los siguientes tipos: • Cajas cuadradas de 102 mm (4 plg.) con perforaciones para tubo de 13 mm, 19 mm y 25 mm. • Cajas octagonales de 80 mm (3 ¼ plg) con perforaciones para tubo de 13 mm y 19 mm. • Cajas rectangulares también conocidas como chalupas, de 92 mm (3 5/8 plg) de largo por 53 mm (2 1/8 plg) de ancho con perforación para tubo de 13 mm. ACCESORIOS ADICIONALES. Los accesorios adicionales en las instalaciones eléctricas son diversos y sus características varían de acuerdo con el tipo de instalación y su tamaño. Dentro de estos accesorios se tienen los siguientes: • Portalámparas. • Apagadores de palanca, de botón o de presión. • Contactos. Los contactos de piso, para tipo industrial, se fabrican para: sobreponer, de tipo oculto y en forma de extensión, así como el tipo clavija. 82 DISPOSITIVOS DE PROTECCION. Entre los dispositivos de protección y control en las instalaciones, se tienen aquellos que deben satisfacer las normas y recomendaciones dadas para las instalaciones y diseño de los circuitos, que en términos muy generales, son los siguientes: • Se debe proveer de circuitos separados para alumbrado general, para contactos y aplicaciones especiales. • Las ramas de los circuitos con más de una salida no deben tener una carga que exceda al 50% de la capacidad de conducción. • Los ramales individuales de cada circuito. El tamaño menor de conductor no debe ser menor del No. 12. • De acuerdo con la capacidad de carga de cada circuito se deben instalar tableros de distribución con tantos circuitos como sea necesario. Para esto es necesario contar con los siguientes dispositivos: • Interruptores en caja de lámina. • Tableros de distribución. • Fusibles. • Interruptores termo magnéticos. Los interruptores termo magnéticos de tipo industrial. Los interruptores termo magnéticos son elementos de protección, cuyas funciones son conectar y desconectar manualmente el circuito al cual se encuentra instalado, y protegerlo contra sobrecargas sostenidas y corto circuito. Los interruptores termo magnéticos del tipo industrial, se fabrican para distintas tensiones y capacidades de corriente, como se indica en la tabla 1.11. 1.8.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • Mencione los elementos que componen una instalación eléctrica y explique cada uno de ellos. • ¿Qué se toma en cuenta para determinar la cantidad de conductores que pueden colocarse dentro de una tubería conduit.? • ¿Cuál es el calibre menor de conductor que puede emplearse en los ramales individuales? • Mencione los diferentes dispositivos de protección que deben colocarse en las instalaciones. Explique la función de cada uno de ellos dentro de la instalación. • ¿Qué es una instalación eléctrica? 83 1.8.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS • Tablas de Simbología para diseño de Instalaciones Eléctricas. • 1 Amperímetro. • 1 Voltímetro. • 1 Wattímetro. • 1 Clamper. • Alambre eléctrico. • Cable eléctrico tipo AWG número 12. • Cable eléctrico tipo AWG número 14. • 1 Tenaza punta plana. • 1 Tenaza punta redonda. • 1 Desarmador punta plana. • 1 Desarmador punta estrella. • Portalámparas. • Focos de 60 W a 120 V AC. • 1 Interruptor de tres contactos a 120V. • 1 Motor trifásico. • Contactos sencillos a 120 V AC. 1.8.5 PROCEDIMIENTO Parte A Elegir cable AWG adecuado para la instalación del sistema de alumbrado, tomacorrientes y motor trifásico. Elegir tubería adecuada para la colocación de los conductores. La elección del cable y el diámetro de la tubería es parte de la evaluación previa del alumno. Por lo tanto le corresponde hacer los cálculos que considere necesarios. Armar el circuito que se muestra a continuación. Cualquier duda sobre el montaje pregunte a su instructor. No energice sin previa revisión y autorización. 84 Figura 8. 1 Tablero Principal Parte B • Con el interruptor de las lámparas en la posición off, ponga a funcionar el motor y mida los valores de voltaje y corriente que se suministran. Suponga que el motor representa una carga industrial. ¿Qué pasaría con la demanda de potencia, si se tuvieran 10 máquinas como ésta? Explique. Basándose en la corriente y el voltaje demandado por las 10 máquinas del literal anterior. ¿Está utilizando el conductor adecuado si fuese una sola caga industrial con esa demanda de potencia? ¿Qué dispositivos de protección y de que capacidades propone? • Lleve el interruptor a la posición on. Mida la corriente y el voltaje a la salida del interruptor. Mida la corriente y el voltaje en cada una de las cargas. ¿El motor demanda la misma cantidad de potencia? Explique. 85 Suponga que las bombillas representan las luminarias de un centro comercial. ¿Qué puede decir del nivel de luxes? ¿Es el adecuado? Manteniendo el interruptor de las lámparas en la posición on y el motor en funcionamiento. Coloque una carga eléctrica, por ejemplo un cautín, en uno de los contactos sencillos. Tomar los valores de voltaje y corriente en cada uno de los diferentes dispositivos que forman parte del sistema. • ¿Qué potencia le está demandando cada uno de los diferentes dispositivos? • ¿Qué puede explicar respecto a la potencia instalada en su circuito? Si su circuito representa un sistema de potencia en el cual, los diferentes dispositivos conectados representan tanto partes de instalaciones eléctricas comerciales como industriales. ¿Diga como calcularía el número de conductores que puede colocar dentro de tubería conduit? ¿Está usando los conductores adecuados? ¿Su tablero principal cumple con las especificaciones? De no ser así, explique por qué no y qué cambiaría usted. 1.8.6 CUESTIONARIO. • Mencione los diferentes dispositivos de protección que deben colocarse en las instalaciones. Explique la función de cada uno de ellos dentro de la instalación. • ¿Qué recomendaciones puede dar respecto al interruptor principal para una instalación en donde el motor representa 10 máquinas con las mismas características que las estudiadas? • ¿Cuáles son los principales dispositivos que debe llevar un tablero principal? • Cuando se hace una instalación eléctrica comercial. ¿Se toma en cuenta el nivel de luxes? • Mencione los diferentes tipos de conexiones para canalizaciones eléctricas y explique en qué consisten. • En la figura de esta práctica entran al tablero 5 cables. ¿Para qué es el quinto hilo? Explique la razón de su existencia. ¿Es indispensable que esté? ¿Qué pasaría si este conductor no se encontrara dentro de nuestra instalación? 86 1.8.7 ANEXOS. Tabla 1.10 Número de Conductores en Tubo Conduit CALIBRE TAMAÑO DEL TUBO CONDUIT. A.W.G 1/2" 3/4" 1" 1 1/4" 1 1/2" 2" 2 1/4" 3" 3 1/2" 4" 5" 6" K.C.M. 13mm 19mm 25mm 31mm 38mm 51mm 64mm 76mm 89mm 101mm 127mm 152mm 18 16 14 12 10 8 6 4 2 1 1/0 2/0 3/0 4/0 250 300 350 100 500 600 700 750 800 900 1000 1250 1500 1750 2000 13 11 9 7 5 3 1 1 1 0 0 0 0 0 24 19 13 12 9 5 2 1 1 1 1 1 0 0 39 34 25 20 15 8 4 3 1 1 1 1 1 1 68 54 44 34 26 14 7 5 4 22 1 1 1 1 1 1 92 74 60 47 36 20 10 7 5 4 33 1 1 1 1 1 1 99 78 60 32 16 12 9 6 5 4 4 3 2 1 1 1 1 87 85 46 23 17 12 8 8 6 4 4 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 72 36 27 20 14 12 10 9 7 6 5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 48 36 26 19 16 14 12 10 8 7 6 5 4 3 3 3 3 3 2 2 1 1 1 62 46 34 25 21 18 15 13 10 9 8 7 6 5 4 4 4 3 3 2 2 1 1 63 54 39 33 28 24 20 16 14 12 11 9 7 6 6 6 5 5 3 3 3 2 78 57 45 41 35 29 23 20 18 16 13 11 10 9 8 8 7 5 5 4 3 Tabla 1.11 Tensiones y Capacidades para las que se fabrican los interruptores termo magnéticos TENSION C.A. TENSION C.D. NÚMERO DE POLOS CORRIENTE EN AMPERES 240 Volts C.A. 125/250 Volts C.D. 2 3 15, 20, 30, 40, 50, 70, 100 15, 20, 30, 40, 50, 70, 100 480 Vols C.A. 250 Volts C.D. 600 Volts C.A. 250 Volts C.D. 3 2 3 15,20,30,40,50,70,100 15,20,30,40,50,70,100,125,150. 88 1.9 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 9. CONTADORES ELECTRICOS Y SU FUNCIONAMIENTO. 1.9.1. OBJETIVOS • Conocer los distintos dispositivos de medición que no pueden faltar a la hora de realizar un proyecto de instalaciones eléctricas. • Analizar cuál es el dispositivo necesario para la medición del flujo de corriente, basándonos en los modelos comerciales. • Reconocer una lectura que proporciona un medidor determinado. 1.9.2 EXPOSICION En esta práctica, se exponen los distintos tipos de medidores de flujo eléctrico, dispositivos que se encuentran sin lugar a duda en toda instalación eléctrica, ya sea ésta, residencial, comercial y/o industrial. El medidor o contador eléctrico se encuentra justo a la entrada de la instalación para poder medir el flujo de electricidad, dependiendo el consumo de todas las cargas que se encuentren conectadas inmediatamente después del medidor. El medidor eléctrico, medidor de consumo o contador, es un dispositivo que mide el consumo de energía de un circuito o un servicio, siendo ésta la aplicación usual. Existen medidores electromecánicos y electrónicos. Los medidores electromecánicos utilizan bobinados de corriente y de tensión para crear corrientes parásitas en un disco que, bajo la influencia de los campos magnéticos, produce un giro que mueve las agujas de la carátula. Los convertidores conversión. Figura 9. 1 Medidor de Consumo eléctrico 89 medidores electrónicos analógico-digitales para utilizan hacer la Funcionamiento de un medidor electromecánico: El medidor electromecánico utiliza dos juegos de bobinas que producen campos magnéticos; estos campos actúan sobre un disco conductor paramagnético en donde se producen corrientes parásitas. La acción de las corrientes parásitas producidas por las bobinas de corriente sobre el campo magnético de las bobinas de voltaje y la acción de las corrientes parásitas producidas por las bobinas de voltaje sobre el campo magnético de las bobinas de corriente dan un resultado vectorial tal, que produce un par de giro sobre el disco. El par de giro es proporcional a la potencia consumida por el circuito. El disco está soportado en campos magnéticos y soportes mecánicos para disminuir la fricción, un sistema de engranes transmite el movimiento del disco a las agujas que cuentan el número de vueltas del medidor. A mayor potencia más rápido gira el disco, acumulando más giros conforme pasa el tiempo. Las tensiones máximas que soportan los medidores eléctricos son de aproximadamente 600 voltios y las corrientes máximas pueden ser de hasta 200 amperios. Además del medidor de flujo de potencia, en instalaciones comerciales y/o industriales se colocan dispositivos para medir la cantidad de potencia consumida, entre los cuales podemos mencionar: Vatímetros La potencia consumida por cualquiera de las partes de un circuito se mide con un vatímetro, un instrumento parecido al electro dinamómetro. El vatímetro tiene su bobina fija dispuesta de forma que toda la corriente del circuito la atraviese, mientras que la bobina móvil se conecta en serie con una resistencia grande y sólo deja pasar una parte proporcional del voltaje de la fuente. La inclinación resultante de la bobina móvil depende tanto de la corriente como del voltaje y puede calibrarse directamente en vatios, ya que la potencia es el producto del voltaje y la corriente. Contadores de servicio El medidor de vatios por hora, también llamado contador de servicio, es un dispositivo que mide la energía total consumida en un circuito eléctrico doméstico. Es parecido al vatímetro, pero se diferencia de éste en que la bobina móvil se reemplaza por un rotor. El rotor, controlado por un regulador magnético, gira a una velocidad proporcional a la cantidad de potencia consumida. El eje del rotor está conectado con engranajes a un conjunto de indicadores que registran el consumo total. 90 Calcular el consumo eléctrico que se está produciendo Figura 9. 2 Contador analógico El contador, además de dar la cifra referente al consumo de la instalación, facilita ciertos datos que se pueden leer en la inscripción que presenta. Entre estos valores se puede encontrar un número que indica las revoluciones/kWh, es decir, las vueltas que da el disco con la marca en la periferia por cada kWh. Este número varía dependiendo del contador, siendo lo más habitual para contadores de uso doméstico de 10 a 40 A (amperios) valores de entre 200 y 500 rev/kWh. Conociendo esto se puede calcular el consumo que se está produciendo en cada instante en kWh contando las revoluciones o vueltas por minuto y multiplicando el resultado por el valor de revoluciones/kWh. Si se quiere medir los aparatos con termostatos (como una plancha, una estufa,...) hay que actuar lo más rápidamente posible, evitando que este dispositivo entre en funcionamiento y realizando una medición corta, como de medio minuto. Así se puede conocer el consumo en cada momento sin tener que esperar a que el contador numérico dé un valor. Cualquier anomalía puede ser descubierta Como su propio nombre indica, el contador de la luz sirve para conocer la energía consumida a través de la línea a la que se encuentra conectado. Este aparato, además de permitir la lectura de energía consumida, permite medir la potencia absorbida por un solo aparato. Actualmente, casi todos los contadores tienen un visor debajo del contador numérico donde hay un disco que tiene una marca roja en su periferia. Este disco tiene una velocidad de giro directamente proporcional a la corriente consumida en cada momento por los aparatos que están en servicio. 91 Esto puede ayudar a conocer el consumo real de los aparatos de casa. Para ello es suficiente con poner en funcionamiento un único aparato y contar las veces que pasa la marca en una unidad de tiempo determinado. De esta forma podemos saber si el consumo de los electrodomésticos excede lo lógico, y si este puede tener un problema y necesita reparar o sustituir. Análisis de la lectura del contador Las cantidades de energía consumida o entregada se obtienen multiplicando la potencia del equipo por el tiempo durante el cual trabaja. Si la potencia se expresa en W y el tiempo en segundos, el producto (cantidad de energía) queda en J. De esta forma, un bombillo de 20 W que trabaja durante sesenta segundos debe consumir 20 W x 60 s = 1 200 J. Debido a que el joule es una cantidad muy pequeña para la mayoría de los casos prácticos, frecuentemente se usa una unidad que es de 3 600 000 veces mayor, que resulta de multiplicar la potencia en kW. por el tiempo en horas, en lugar de segundos. Esta unidad recibe el nombre de kilowatt-hora o kWh. (debe leerse así: kilowatt-hora y no kilowatt por hora). De esta manera, una plancha de 1 200 W (1,2 kW) que trabaja durante dos horas consume 1,2 kW x 2 h = 2,4 kWh. En esta unidad se contabiliza la energía que nos suministra la distribuidora, y que se mide mediante un instrumento que tenemos en nuestras casas llamado metro contador, o simplemente contador, y cuyo principio de funcionamiento tiene en cuenta tanto la potencia que pasa por él, como el tiempo durante el que ocurre ese paso. La medición combinada de ambos efectos produce un movimiento acumulativo que se registra en un conjunto de cifras numéricas que conforman un número: la indicación o lectura del contador. Esa lectura es la cantidad de kilowatt-hora que han pasado por ese instrumento desde que se instaló en ese lugar (en el supuesto de que estuviera en 00000 en el inicio). Y la diferencia entre dos lecturas cualesquiera es la cantidad de energía en kilowatt-hora que ha pasado por el contador durante ese período. Medición del consumo eléctrico de cualquier instalación. El personal de la distribuidora lee normalmente el contador una vez al mes, de ahí que la diferencia entre dos lecturas consecutivas representa el consumo en kilowatt-hora en ese tiempo, o sea, un mes. Esto se puede comprobar al observar con atención los recibos de cobro del servicio eléctrico, donde se refleja la lectura, la fecha, el consumo del mes en kilowatt-hora y su valor monetario. No obstante, cada persona puede hacer las lecturas con la frecuencia que desee, por lo que estará en condiciones de seguir o monitorear el consumo cada semana, cada día, e incluso durante el día en intervalos regulares o no. Si se divide el consumo determinado por las lecturas, por la cantidad de horas transcurridas entre una y otra lectura, se obtiene la potencia media o promedio de ese intervalo de tiempo. 92 Cálculo de la potencia consumida y su valor monetario. Si su lectura el 15 de septiembre de 2005 fue 08759 y el 15 de octubre del mismo año fue de 09029, su consumo en esos treinta días fue de 09029 – 08759 = 270 kWh, y su potencia media del mes se determina por: 270 kWh / (30 días x 24 horas) = 0,375 kW, o sea, 375 W. Este valor tiene que ser menor que la suma de las potencias de todos sus equipos eléctricos (que es su potencia instalada), pues no todos ellos están conectados simultáneamente las 24 horas del día, los treinta días del mes. El porcentaje que la potencia media representa de la potencia total instalada, recibe el nombre de factor de utilización, y permite pronosticar los consumos. La mayor o menor potencia que en un instante está pasando puede ser juzgada por la rapidez de rotación del disco que posee el metro contador. Observe que si sólo hay un radio conectado, el disco girará muy lentamente, mientras que si conecta una hornilla eléctrica, la rotación será mucho más rápida. Y como el disco está acoplado con el indicador de lectura, cuanto más rápidamente gira el disco, más avanzará la lectura del contador para un mismo tiempo, lo que significa un mayor consumo de energía. Lea su contador: Usted puede vigilar su consumo de electricidad diariamente leyendo su contador y anotando los resultados. Solamente siga estos simples pasos: Figura 9. 3 Lectura de contador Paso 1 Acción Su contador tiene cinco esferas. Tres de las esferas giran como un reloj y dos giran contra el reloj. Para obtener el total correcto de la lectura, lea las esferas de derecha a izquierda. Si el indicador de la esfera está entre dos números, escriba el menor de los dos. 2 Si el indicador aparece exactamente sobre el número, mire hacia atrás en la esfera derecha. Si el indicador de esa esfera no ha pasado de cero, la lectura de la esfera hacia la izquierda es el número menor. 3 Para calcular su consumo de electricidad mensual, lea el contador al principio del mes y de nuevo un mes después exactamente. La cantidad consumida es la diferencia entre lecturas. 93 1.9.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. Identifique cual es el consumo de electricidad de la empresa X. La lectura de su medidor de flujo eléctrico se muestra a continuación. Además calcule el valor monetario a pagar a la empresa que suministra el servicio. Figura 9. 4 Ejercicio de contadores 1.9.4 MATERIALES Y EQUIPO. • 1 contador eléctrico. • Cable eléctrico tipo AWG número 8. • Cable eléctrico tipo AWG número 10. • Cable eléctrico tipo AWG número 14. • 1 Portalámparas. • 1 Foco de 60 W a 120 V AC. • 1 Apagador sencillo de contacto de 120V. • Contactos sencillos a 120 V AC. • 1 Motor Eléctrico a 220 V AC. • Tubería Conduit. • 1 Cautín. (u otros dispositivos eléctricos). 1.9.5 PROCEDIMIENTO. Parte A. El instructor realizará una demostración del funcionamiento del contador eléctrico y explicará a los alumnos las tareas básicas de este equipo. Que el alumno vea el contador instalado en el módulo de trabajo. El instructor debe señalar las partes componentes del dispositivo y explicar el funcionamiento de cada una de ellas. Hacer ver al estudiante la importancia de las diferentes partes del contador de flujo eléctrico. 94 Figura 9. 5 Contador residencial. Parte B. Precaución: Favor tomar las precauciones del caso, siguiendo las normas de seguridad estudiadas a principio de este curso. Cualquier duda pregunte a su instructor de laboratorio. Identifique el equipo y los materiales necesarios para la realización de esta práctica. A continuación montar el circuito que se presenta en la figura siguiente. No energice su circuito, sin previa verificación y autorización. 95 Figura 9. 6 Diagrama de conexiones de un sistema eléctrico residencial • Con el interruptor de la lámpara en la posición off, tomar la lectura que nos da el contador eléctrico. Tome en cuenta que para este literal el motor debe estar en funcionamiento. • Con el interruptor de la lámpara en la posición on, tomar el nuevo valor en la lectura del contador eléctrico. Observar y anotar lo que sucede en el contador en el momento en que el interruptor pasa de off a on. • Conectar un cautín en uno de los tomacorrientes y observar que sucede con el contador al momento de que entra esta carga a formar parte del circuito alimentado. 96 Explique basándose en el funcionamiento típico de los contadores, que es lo que sucede cuando entran más cargas al circuito. • Utilizando otros componentes eléctricos. Conéctelos en los tomacorrientes y anotar nuevamente sus observaciones. 1.9.6. CUESTIONARIO. • Explique cómo se calcula el consumo eléctrico de cualquier instalación, en donde se encuentran diferentes cargas conectadas al sistema. • Explique el funcionamiento básico de un medidor de consumo eléctrico. • ¿Cuáles son los pasos a seguir para leer su contador? • ¿Qué observó en el contador cuando conectaba más cargas al sistema? Explique basándose estrictamente en la potencia. • En la figura que se muestra a continuación, decir que lectura está obteniendo el contador. Figura 9. 7 Lectura de medidores 97 1.9.7 ANEXOS. Tabla 1.12 Tarifa 2004 de la energía eléctrica. Concepto Cargos Variable Fijo de comercialización por consumo por Uso de Red Variable $/Usuario Pequeñas demandas (0<kW≤10) $/kWh Fip($imes) $(kWh) Residencial = consumo < 200 kWh 0.08 0.78 0.03 Residencial = consumo > 200 kWh 0.08 1.10 0.03 0.68 Uso General 0.08 1.79 0.03 Alumbrado Público 0.07 0.04 Baja Tensión Media Tensión Medianas Grandes Medianas Grandes demandas demandas demandas demandas (10<kW≤50) (>50 kW) (10<kW≤50) (>50 kW) Con medidor electromecánico (con medición de potencia) Cargo fijo de comercialización 0.68 $/Usuario 0.08 0.07 Cargo variable por consumo $/kWh Cargo por uso de Red-Potencia:$/kW11.67 4.57 mes Con medidor horario Cargo de comercialización $/Usuario 0.68 Cargo p/consumo(energía en 0.09 0.08 punta)$/kWh Cargo p/consumo(energía en 0.08 0.07 Resto)$/kWh Cargo p/consumo(energía en 0.06 0.06 Vale)$/kWh Cargo por uso de Red-Potencia:$/kW11.67 4.57 mes 98 Tabla 1.13 Tarifa 2005 de la energía eléctrica. Concepto Cargos Variable Fijo de comercialización por consumo por Uso de Red Variable $/Usuario Pequeñas demandas (0<kW≤10) $/kWh Fip($imes) $(kWh) Residencial = consumo < 200 kWh 0.09 0.8 0.03 Residencial = consumo > 200 kWh 0.09 1.13 0.03 0.7 Uso General 0.09 1.85 0.03 Alumbrado Público 0.08 0.04 Baja Tensión Media Tensión Medianas Grandes Medianas Grandes demandas demandas demandas demandas (10<kW≤50) (>50 kW) (10<kW≤50) (>50 kW) con medidor electromecánico (con medición de potencia) -cargo fijo de comercialización 0.7 $/Usuario 0.09 0.08 -cargo variable por consumo $/kWh -cargo por uso de Red-Potencia:$/kW12.04 4.72 mes con medidor horario -cargo de comercialización $/Usuario 0.7 -cargo p/consumo(energía en 0.1 0.09 punta)$/kWh -cargo p/consumo(energía en 0.08 0.08 Resto)$/kWh -cargo p/consumo(energía en 0.06 0.06 Vale)$/kWh -cargo por uso de Red-Potencia:$/kW12.04 4.72 mes 99 100 CAPITULO 2: SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE ENERGIA 2.1 EXPERIEMNTO DE LABORATORIO No 1 NORMAS DE SEGURIDAD EN SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE ENERGIA. 2.1.1 OBJETIVOS • Aprender las normas básicas de seguridad que gobiernan a los sistemas de distribución de energía eléctrica. • Conocer las normas técnicas de diseño, seguridad y operación de las instalaciones de distribución eléctrica. • 2.1.2 EXPOSICION A ESTUDIANTES, INSTRUCTORES Y MAESTROS: Al momento de trabajar con electricidad y altos voltajes y/o equipos mecánicos de grandes dimensiones o con rotación en altas velocidades, se deben seguir ciertas normas de seguridad para no poner en riesgo al usuario o a la maquinaria. Antes que nada se debe contar con un BOTIQUIN DE PRIMEROS AUXILIOS y absolutamente todos los usuarios del laboratorio deben conocer el lugar en que se encuentra. A continuación, expondremos la normativa establecida por la superintendencia general de Electricidad y Telecomunicaciones, basados en estudios de campo realizados por el departamento de Normas Técnicas y Concesiones de El Salvador. La Normativa tiene por objeto establecer las disposiciones, criterios y requerimientos mínimos para asegurar que las mejoras, expansiones y nuevas construcciones de las instalaciones de distribución de energía eléctrica se diseñen, construyan y operen, garantizando la seguridad de las personas y bienes, y la calidad del servicio. Todas aquellas personas naturales o jurídicas, que diseñen y construyan obras de infraestructura civil relacionadas con edificios, viviendas, condominios, alcantarillados, villas de transito, villas férreas, etc., deberán considerar el alcance y aplicación de esta Normativa para el diseño y desarrollo de sus respectivos proyectos. Parámetros de Diseño. Las líneas aéreas deberán tener suficiente resistencia mecánica para soportar las cargas propias y las debidas a las condiciones meteorológicas a que estén sometidas, según el lugar en que se ubiquen, con los factores de sobrecarga adecuados. En aquellas regiones del país donde las líneas aéreas lleguen a estar sometidas a cargas mecánicas más severas que las calculadas sobre las bases de este manual, por menor 101 temperatura ó mayor velocidad del viento, las instalaciones deberán diseñarse tomando en cuenta tales condiciones de carga, conservando los factores de sobrecarga correspondientes. Con el propósito de establecer las cargas mínimas que deben considerarse en el cálculo mecánico de líneas aéreas, según el lugar de su ubicación el país se ha dividido en tres zonas de carga, en las cuales se calculará la presión ejercida por el viento como la correspondiente a una velocidad no menor de las que se indican a continuación: • Zona 1 = 80 kilómetros por hora. • Zona 2 = 100 kilómetros por hora. • Zona 3 = 120 kilómetros por hora Factores de Sobrecarga. Cada uno de los elementos de las estructuras: cruceros, retenidas, fundaciones y anclas, deberán ser diseñadas para soportar las cargas adecuadas, multiplicadas por los factores de sobrecarga descritos en las tablas siguientes: Tabla 2.1 Factores de Sobrecarga A continuación se detallan notas que amplían el contenido de la tabla anterior: • Para retenidas y anclas asociadas con estructuras que únicamente soportan conductores y cables de comunicación, este factor puede reducirse a 1.33. 102 • Donde las cargas verticales reducen significativamente la tensión en un miembro de la estructura un factor de sobrecarga de 1 debe ser usado para el diseño de dicho miembro. • Para estructuras de metal y concreto pretensado, cruceros, retenidas, fundaciones y anclas, use un valor de 1.10. Tabla 2.2 Factores de Seguridad FACTORES DE SEGURIDAD PARA SER UTILIZADOS CON LA TABLA 2.1. Distancias Eléctricas. Distancias mínimas de seguridad, de las situaciones más comunes, de líneas aéreas de suministro eléctrico y de comunicaciones y tiene la intensión de desarrollar una doble función bajo las condiciones de operación esperadas: • Limitar la posibilidad de contacto por personas con los dispositivos o equipos. • Impedir que las instalaciones de un distribuidor entren en contacto con las instalaciones de otro distribuidor o con la propiedad pública o privada. Las distancias y espaciamientos definidos en este manual no sustituyen los libramientos necesarios impuestos por las condiciones de transito y/o de cultivos propios de la traza de las líneas. En el proceso de diseño se deberán tener en cuenta las normas propias de la Distribuidora a la que la línea deberá conectarse, por ser ésta la responsable de la operación y calidad del servicio eléctrico. 103 Medición de distancias y espaciamientos. Para referirse a la separación entre conductores y sus soportes, estructuras, construcciones, nivel del suelo, etc., se usan en este manual los términos distancia y espaciamiento. A menos que se diga otra cosa, todas las distancias deben medirse de superficie a superficie y todos los espaciamientos se deberán medir de centro a centro. Para propósito de medición de las distancias, los herrajes y accesorios que estén energizados debido a su conexión eléctrica a los conductores de la línea, se deben considerar como parte integral de los mismos conductores. Las bases metálicas de las mufas o pasamuros, pararrayos y de equipos similares deben ser consideradas como parte de la estructura de soporte. Cables de suministro. Las distancias para los tipos de cables descritos en los siguientes numerales, así como para sus empalmes y derivaciones, pueden ser menores que las establecidas para conductores desnudos de la misma tensión eléctrica, siempre que sean capaces de soportar pruebas conforme a normas aplicables: • Cables de cualquier tensión que tengan cubierta o pantalla metálica continua efectivamente puesta a tierra, o bien cables diseñados para operar en un sistema de conexión múltiple a tierra de 25 kV o menos, que tengan una pantalla semiconductora sobre el aislamiento combinada con un adecuado sistema metálico para descarga, cuando estén soportados y cableados junto con un mensajero neutro desnudo efectivamente puesto a tierra. • Cables de cualquier tensión no incluidos en el literal anterior, que tengan una pantalla semiconductora continúa sobre el aislamiento combinada con un adecuado sistema metálico para descarga, cuando estén soportados y cableados junto con un mensajero desnudo efectivamente conectado a tierra. • Cables aislados sin pantalla sobre el aislamiento, que operen a tensiones no mayores de 5 kV entre fases o 2.9 kV de fase a tierra. Distancias de seguridad vertical de conductores sobre el nivel del suelo, carretera, vías férreas y superficies con agua: Los requisitos de este numeral se refieren a la altura mínima que deben guardar los conductores y cables de líneas aéreas, respecto del suelo, agua y parte superior de rieles de vías férreas: Las distancias verticales deben ser como mínimo las indicadas en la Tabla No. 2.3 y se aplican bajo las siguientes condiciones: 104 • La condición que ocasione la mayor flecha final: temperatura en los conductores de 50ºC, sin desplazamiento de viento, o la temperatura máxima del conductor para la cual fue diseñada la operación de la línea sin desplazamiento de viento, cuando esta temperatura es mayor de 50ºC. • Flecha final sin carga en reposo. Tabla 2.3 Distancias Mínimas de Seguridad. DISTANCIAS MINIMAS DE SEGURIDAD VERTICALES SOBRE VIAS FERREAS, EL SUELO. Cables Conductores de suministradores comunicación aislados de más Conductores aislados, Conductores suministradores de 750 V y Naturaleza de la retenidas, suministradores en línea abierta conductores superficie bajo aterrizadas, en línea abierta de 22 a 230 kV suministradores conductores conductores de 750 V a 22 kV Metros neutros y cables en línea abierta de 0 a 750 V eléctricos Metros aislados Metros Vías férreas 7.2 7.5 8.1 8,1 +0,01 m por cada kV por arriba de 22 kV. Carreteras, calles, caminos y otras áreas usadas para tránsito vehicular 4.7 5 5.6 5,6+0,01 m por cada kV por arriba de 22 Kv Vías peatonal 2.9 3.8 4.4 4,4+0,01 m por cada kV por arriba de 22 kV Distancias de seguridad de conductores a edificios y otras instalaciones. Los conductores y cables que pasen próximos a estructuras de alumbrado público, de soporte de semáforos o de soporte de una segunda línea, deben estar separados de cualquier parte de esas estructuras por distancias no menores que las siguientes: • Una distancia horizontal, sin viento, de 1.50 m para tensiones de hasta 50kV. • Una distancia vertical de 1.40 m para tensiones menores de 22 kV y de 1.70 m para tensiones entre 22 kV y 50 kV. Aislamiento en líneas. Cuando no sea posible cumplir con las distancias mínimas de seguridad estipuladas en estas Normas, únicamente por la presencia de árboles, vegetación ó áreas protegidas, los conductores eléctricos y otras superficies energizadas asociadas a las líneas, deberán ser protegidos o aislados para la tensión de operación. 105 Para el diseño del aislamiento de las líneas aéreas deberá seleccionarse aisladores que estén garantizados para evitar saltos de arco eléctrico en condiciones de operación, sobre tensiones transitorias, humedad, temperatura, lluvia o acumulaciones de suciedad, sal y otros contaminantes que no son desprendidos de una manera natural. Instalaciones subterráneas. En áreas densamente pobladas y/o de alta circulación de vehículos donde la disposición de las líneas aéreas representan un riesgo inaceptable y donde las distancias mínimas de seguridad no pueden cumplirse, se deberán diseñar instalaciones subterráneas, bajo los tres siguientes puntos de vista; seguridad de las personas, seguridad de bienes e instalaciones y continuidad del servicio. Cuando se da mantenimiento, ya sea a líneas o equipo que se encuentra instalado en poste o sus alrededores, se deben tener en cuenta ciertas normas de seguridad. Y existen para tal caso, las 5 reglas de oro para el mantenimiento, las cuáles hacen referencia a seguridad personal del técnico que realiza las operaciones. LAS 5 REGLAS DE ORO PARA EL MANTENIMIENTO: • Abrir todos los elementos de corte visibles. (Cortacircuitos) • Medir ausencia de tensión. • Aterrizamiento de las tres fases. • Bloquear los equipos de Corte que cumplan con las condiciones para hacerlo. • Señalización del área que está bajo mantenimiento. 2.1.3. PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS En la figura 10.1, que se muestra a continuación, coloque las distancias y/o espaciamientos horizontales y verticales que deben cumplirse por normas de seguridad entre los cruceros. Diferenciar si en este caso se trata de espaciamientos o distancias. Horizontal = _________________________ Vertical = ____________ y ____________ 106 Figura 10. 1 Espaciamientos 2.1.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS A continuación presentamos los materiales que componen una instalación de un banco de tres transformadores con neutro común. 107 Tabla 2.4 Materiales DESCRIPCION DE MATERIALES ESTRUCTURA: INSTALACION DE TRES TRANSFOMADOR, NEUTRO COMUN No. 2 22 23 28 37 45 48 50 51 53 55 74 78 83 84 90 103 110 113 114 116 137 144 DESCRIPCION Abrazadera completa 7-7 5/8 " (177,8-193,7mm) Alambre de cobre #4 desnudo Almohadilla para crucero Arandela redonda 5/8 " (15,9mm) Barra para polo tierra 5/8" x 8" (15,9mm x 2,4mm) Cable de cobre forro plástico S/R Cinta metálica band-it 1/2" (12,7mm) Conector de compresión S/R Conector Universal S/R. Cortacircuito 25 KV,100 A Crucero angular de hierro 94" Estribo para grapa linea viva S/R. Fusible tipo "T" S/R. Grapa para linea viva. Grapa para polo tierra. Hebilla band-it 1/2 " Pararrayos tipo distribución 21 KV. Perno máquina 5/8 x 10 ". Perno máquina 5/8 x 2". Perno máquina 1/2 x 1 1/2". Perno todo rosca 5/8 x 1/2 " Tirante en V de 45" Tubo de acero galvanizado 1/2 ". EQUIPO DE TRABAJO • Multímetro. • Amperímetro. • Cinta de Señalización. • Alambre de cobre No. 4, desnudo. • Percha. • Casco. • Guantes Aislantes. • Lentes. 108 COD: 23 T3C VOLTAJE NOMINAL: 24,9 kV CANTIDAD P A 1 8 28m 28m 8 8 7 1 1 16m 16m 4m 4m 8 8 2 2 3 3 2 2 3 3 3 3 3 3 1 1 4 4 3 3 7 1 9 8 8 2 2 1 1 2m 2m 2.1.5 PROCEDIMIENTO NOTA ESPECIAL. Tomar las precauciones del caso y hacer uso de las normas de seguridad. En esta práctica, la alimentación debe hacerse en lado secundario del transformador. COMPROBACION DE LAS 5 REGLAS DE ORO PARA LA SEGURIDAD. El siguiente circuito debe de ser armado por el instructor. Los alumnos deben de realizar las conexiones para comprobar las reglas de seguridad, siguiendo las indicaciones del instructor. CONSIDERACIONES ESPECIALES. • Los transformadores en el Laboratorio estarán ubicados en el suelo; sin embargo en la figura siguiente se muestra la forma de conexión en poste (para conocimiento de instalación real). • El voltaje de alimentación primario es de 208 VAC. MEDICIONES A REALIZAR. • Se medirá voltaje en el primario y secundario del banco de transformadores. • Se medirán corrientes en el lado del primario y secundario del transformador. • Medir la potencia en el primario y secundario. • Encontrar la relación de transformación, basándose en las mediciones previas. 109 Figura 10. 2 Transformadores Monofásicos 110 2.1.6 CUESTIONARIO. • ¿Por qué motivo deben de seguirse las cinco reglas de oro, al momento de realizar mantenimiento en sistemas de distribución de energía eléctrica? • ¿Puede seguirse otra metodología sin utilizar las 5 reglas de oro para el mantenimiento y de esta manera desenergizar la red eléctrica? • Explique que procedimiento siguió para la desconexión de los cortacircuitos. • ¿Es seguro que el fusible quede colgado al abrirse el cortacircuito? • ¿Hay ocasiones en que puede trabajarse sin aterrizar las líneas? Si es así, ¿en que condiciones ambientales puede hacerse? 2.1.7 ANEXOS. Figura 10. 3 Equipos de Seguridad 111 Tabla 2.5 Distancias Mínimas de Seguridad Conductores. DISTANCIAS MINIMAS DE SEGURIDAD DE CONDUCTORES DE EDIFICIOS Y OTRAS INSTALACIONES Edificios DISTACIAS MINIMAS DE SEGURIDAD DE Horizontal a paredes ventanas y áreas accesibles a personas Vertical, arriba o debajo de techos y áreas no accesibles a personas. Vertical, arriba o debajo de techos y áreas accesibles a personas vehículos, pero no a vehículos pesados (3) Otras estructuras Vertical, arriba de techos accesibles al tránsito de vehículos pesados Horizontal Vertical, arriba o debajo de cornisas y otras superficies con acceso a personas. Vertical, arriba o debajo de otras partes de estas instalaciones Conductores y cables de comunicació n aislados, mensajeros, retenidas aterrizadas expuestas a tensiones de hasta 300 V, conductores de neutro que cumplen con Art. 16 numeral 16,5 A, cables de suministro que cumplen con Art. 16 numeral 16,3 A metros Cables de suministro de 0 a 750 V, que cumplen con Art. 16 numeral 16,3 B Cables de suministro de mas de 750 V, que cumplen con Art. 16 Partes rígidas enumeral 16,3 B ó 16,3 C, conductores de suministro en línea abierta de 0 a 750 V Partes rigidas energizadas no protegidas de 750 V a Conductores de suministro 22 kV, en línea carcazas de abierta de equipos no aterrizadas, 750 V a 22 kV. retenidas no aterrizadas expuestas a tensiones de 750 V a 22 kV. metros metros metros 1.4 1.5 metros 1.5 1.7 2 2.3 0.9 1.1 3 3.2 3.6 3.8 3.2 3.4 3.4 3.5 4 4.1 4.7 4.9 4.9 5 5.5 5.6 0.9 1.07 1.5 1.7 2 2.3 3.2 3.4 3.4 3.5 4 4.1 0.9 1.07 1.7 1.8 2.3 2.45 112 Tabla 2.6 Distancias Seguridad Vertical en Soportes 113 2.2 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 2. CONCEPTOS BASICOS EN SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA. 2.2.1 OBJETIVOS • Conocer los conceptos fundamentales de los dispositivos que componen un sistema de distribución de energía eléctrica. • Analizar los distintos elementos que forman parte de un sistema de distribución de energía y así poder predecir el buen funcionamiento de éste. • Identificar los elementos que forman parte de un sistema de distribución de energía y tener la capacidad de identificar cuales proporcionan el mejor funcionamiento. 2.2.2 EXPOSICION DESCRIPCION GENERAL DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN Los principales datos del sistema eléctrico son la tensión nominal, la frecuencia nominal y su comportamiento en caso de cortocircuito. Los sistemas de distribución de energía eléctrica comprenden niveles de alta, baja y media tensión. Sistemas de distribución: Un sistema de distribución de energía eléctrica es un conjunto de equipos que permiten energizar en forma segura y confiable un número determinado de cargas, en distintos niveles de tensión, ubicados generalmente en diferentes lugares. Clasificación de los Sistemas de Distribución: Dependiendo de las características de las cargas, los volúmenes de energía involucrados y las condiciones de confiabilidad y seguridad con que deban operar, los sistemas de distribución se clasifican en: • Industriales. • Comerciales. • Urbana. • Rural. Sistemas de distribución industrial: Comprende a los grandes consumidores de energía eléctrica, tales como las industrias del acero, químicas, petróleos, papel, etc., que generalmente reciben el suministro en alta tensión. Es frecuente que la industria genere parte de su demanda de energía eléctrica mediante procesos de vapor, gas ó diesel. 114 Sistemas de distribución comerciales: Es un término colectivo para sistemas de energía existentes dentro de grandes complejos comerciales y municipales; tales como edificios de gran altura, bancos, supermercados, escuelas, aeropuertos, hospitales, puertos, etc. Este tipo de sistemas tienen sus propias características, como consecuencia de las exigencias especiales en cuanto a seguridad de las personas y de los bienes, por lo que generalmente requieren de importantes fuentes de respaldo en casos de emergencia. Sistemas de distribución urbana. Alimenta la distribución de energía eléctrica a poblaciones y centros urbanos de gran consumo, pero con una densidad de cargas pequeña. Son sistemas en los cuales es muy importante la adecuada selección en los equipos y el dimensionamiento. Sistemas de distribución rural. Estos sistemas de distribución se encargan del suministro eléctrico a zonas de menor densidad de cargas, por lo cual requiere de soluciones especiales en cuanto a equipos y a tipos de red. Debido a las distancias largas y las cargas pequeñas, es elevado el costo del kWh consumido. Características de operación. Las concesiones de servicio público de distribución son aquellas que habilitan a su titular para establecer, operar y explotar instalaciones de distribución de electricidad dentro de una zona determinada (llamada comúnmente zona de concesión), y efectuar suministro de energía eléctrica a usuarios finales ubicados dentro de dicha zona y a los que, ubicados fuera de ella, se conecten a sus instalaciones mediante líneas propias o de terceros. Las redes de las empresas eléctricas concesionarias tienen como punto de partida las denominadas subestaciones de distribución primaria, cuyo objetivo es el de reducir el voltaje desde el nivel de transporte al de la tensión de distribución. Las empresas concesionarias presentan principalmente dos esquemas de alimentación: los sistemas radiales y los anillados. Los sistemas radiales consisten en poseer un conjunto de alimentadores de alta tensión, que suministran potencia en forma individual, a un grupo de transformadores. Cuando una red radial alimenta a transformadores, se obtienen las redes de distribución de baja tensión, normalmente trifásicas de cuatro hilos, y siempre del tipo sólidamente aterrizadas. Una desventaja de los sistemas radiales es que al fallar un transformador, su alimentador en alta tensión, todos los clientes de baja tensión asociados a ese transformador quedan sin suministro. No son redes que aseguren una buena continuidad del servicio, pero son económicas. 115 Figura 11. 1 Sistemas Radiales Los sistemas radiales en alta tensión, se caracterizan por tener el lado primario del transformador conectado a una barra donde le llegan dos puntos de alimentación, proporcionando así una continuidad del servicio en caso de que ocurra una falla en alguno de los extremos de alimentación. Pudiéndose suministrar la energía por el punto de alimentación que está en operación sin falla. Como se había mencionado anteriormente una gran ventaja que presenta esta topología es la continuidad del servicio no así en un circuito radial, no obstante cabe mencionar que el sistema se hace más complejo en las operaciones. Figura 11. 2 Sistemas Anillados 116 Transformadores. Hay dos tipos de transformadores que se diferencian en su forma constructiva: transformadores sumergidos y secos. Existen cuatro tipos de transformadores sumergidos: respirantes, de colchón de gas, con conservador y de llenado integral, actualmente solo se instalan los últimos. Transformadores Sumergidos. El circuito magnético y los devanados están sumergidos en un dieléctrico líquido que garantiza el aislamiento y la evacuación de las pérdidas caloríficas del transformador. Este líquido se dilata en función de la carga y de la temperatura ambiente. Transformadores Respirantes. Un volumen de aire entre la superficie del aceite y la tapa permite la dilatación del líquido sin riesgo de rebalse. El transformador respira, pero la humedad del aire se mezcla con el aceite y la rigidez dieléctrica se degrada. Transformadores de Colchón de Gas. La cuba es estanca y la variación de volumen del dieléctrico se compensa con un colchón de gas neutro. Transformadores de Llenado Integral. La cuba está totalmente llena de líquido dieléctrico y herméticamente cerrado. No hay ningún riesgo de oxidación del aceite. Transformadores con Conservador. Para reducir las anteriores inconvenientes, un depósito de expansión limita el contacto aire/aceite y absorbe la sobre-presión. No obstante, el dieléctrico sigue oxidándose y cargándose de agua. La adición de un desecador limita este fenómeno, pero exige un mantenimiento periódico. La sobrepresión debida a la dilatación del líquido es absorbido por los pliegues de la cuba. Transformadores Secos. El circuito magnético está aislado (o recubierto) con un material aislante seco de varios componentes. La refrigeración se consigue por medio del aire ambiente, sin líquido intermedio. Este tipo de transformador tiene la ventaja de no presentar ningún riesgo de fuga o contaminación. En contrapartida requiere precauciones de instalación y mantenimiento (local ventilado, eliminación de polvo). Los devanados suelen ir provistos de sondas de detección que vigilan las temperaturas internas y permiten la desconexión de la carga y de la alimentación si surge un problema térmico. 117 Interruptores. En el interruptor de potencia es el dispositivo encargado de desconectar una carga o una parte del sistema eléctrico, tanto en condiciones de operación normal (máxima carga o en vacío), como en condición de cortocircuito. La operación de un interruptor puede ser manual o accionada por la señal de un relé encargado de vigilar la correcta operación del sistema eléctrico, donde está conectado. Es común energizar estos circuitos de control, a través de transformadores de servicios auxiliares, conectados desde las barras de la central generadora o subestación, con un voltaje secundario en estrella de 400/231 Volts. Especificación Técnica de un Interruptor de Potencia. La selección de un interruptor de potencia para una determinada aplicación consiste en definir los valores que limitan las condiciones de operación máximas del interruptor. Los parámetros a indicar son los siguientes: • Tensión nominal • Frecuencia nominal • Corriente nominal • Rigidez dieléctrica (clase de aislación) • Ciclo de trabajo • Corriente de cortocircuito momentánea. • Corriente de cortocircuito de interrupción. Figura 11. 3 Interruptor de potencia 118 Reconectador (Recloser). El Recloser es un interruptor con reconexión automática, instalado preferentemente en líneas de distribución. Es un dispositivo de protección capaz de detectar una sobrecorriente, interrumpirla y reconectar automáticamente para reenergizar la línea. Está dotado de un control que le permite realizar varias reconexiones sucesivas, pudiendo además, variar el intervalo y la secuencia de estas reconexiones. De esta manera, si la falla es de carácter permanente el reconectador abre en forma definitiva después de cierto número programado de operaciones (generalmente tres o cuatro), de modo que aísla la sección fallada de la parte principal del sistema. Seccionadores Figura 11. 4 Seccionador. El seccionador es un dispositivo de protección que aísla automáticamente las fallas en las líneas de distribución. Se instala necesariamente aguas abajo de un equipo con reconexión automática. Para fallas ocurridas dentro de su zona de protección, el seccionador cuenta las aperturas y cierres efectuados por el equipo dotado de reconexión automática instalado aguas arriba y de acuerdo a un ajuste previo, abre en el momento en que el reconectador está abierto; es decir el seccionador cuenta los impulsos de corriente de falla que fluyen en el sistema, ajustándose para que abra después de un determinado número de pulsos que pueden ser desde uno hasta tres. Fusibles. Es un dispositivo de protección contra sobre corriente, que opera quemándose el elemento sensor de corriente, debido a la circulación de una corriente superior al valor especificado. Las principales características de operación de un fusible son las siguientes: • Combina el elemento sensor y de interrupción en una sola unidad • Su operación depende de la magnitud y duración de la corriente que fluye a través de él. • Es un dispositivo monofásico. Solo el fusible de la fase dañada operará, quedando las otras fases activas. 119 • Después de haber operado debe cambiarse, ya sea las tres fases o sólo el elemento sensor de corriente que se fundió. 2.2.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • Enumere los distintos tipos de transformadores que se tienen en los sistemas de distribución de energía. Y explique brevemente cada uno de ellos. • ¿Cuáles son los esquemas de alimentación que presentan las empresas concesionarias? • ¿Cuál es la definición de un sistema de distribución de energía? ¿Cómo se clasifican? • Mencione y explique los elementos que componen los sistemas de distribución de energía. 2.2.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS • Guía de trabajo para el laboratorio. • Cortacircuitos 25 kV, 100 A. • Fusible tipo T, SR. • Pararrayos tipo distribución 21 kV. 2.2.5 PROCEDIMIENTO PARTE A. DEMOSTRACIÓN DE LA INSTALACIÓN DE UN TRANSFORMADOR NEUTRO COMÚN. • Realizar un recorrido a la subestación eléctrica de la universidad. El instructor explicará todas y cada una de las partes que la componen, apoyándose en equipo existente en el Laboratorio. • A continuación se presenta el diagrama de conexión de un transformador en configuración neutro común. El instructor debe explicar en que consiste cada componente y cual es su función dentro del sistema. • Las partes que componen al sistema se encuentran numeradas y en anexos se presenta el nombre del elemento según numeración. 120 Figura 11. 5 Transformador Monofásico 121 2.2.6 CUESTIONARIO • Describa el funcionamiento de un transformador monofásico. • ¿En dónde se encuentran los taps del transformador? • En estos tres cables de salida. Explique con sus propias palabras como debe dividirse el voltaje y qué tipo de conexión supone que tendría este transformador en su secundario. • Explique el funcionamiento de un seccionador y la razón por la cual debe de estar aguas abajo de un dispositivo de desconexión automática. • ¿En base a que parámetros trabaja un reconectador? • ¿Cuáles son las variables que pueden ser programadas y modificadas en un reconectador? 2.2.7 ANEXOS. Tabla 2.7 Placa de datos Transformador Fabricante: Tipo: Aumento de Temperatura: Tensión primario: Tensión secundario:; Derivaciones Primario: Líquido Aislante: Peso Total: Potencia: Fases: Polaridad: Corriente Primario: Corriente Secundario: Número de Serie: Frecuencia: Impedancia: Conexión Primario: Conexión Secundario: Rhona S.A. 55°C 69000 V 13800 V 69000 ± 10% en 18 pasos Aceite mobilent 35,18950 litros 50200 Kg 25000 KVA 3 yd-1 209 A 1046 A 17890 50Hz 10% a 75 °C Estrella Delta 122 • Fusible. Figura 11. 6 Fusible. Figura 11. 7 Reconectador. 123 Tabla 2.8 Materiales Instalación Transformador ESTRUCTURA: INSTALACION DE UN TRANSFOMADOR, NEUTRO COMUN No. DESCRIPCION 2 22 23 28 Abrazadera completa 7-7 5/8 " (177,8-193,7mm) Alambre de cobre #4 desnudo Almohadilla para crucero Arandela redonda 5/8 " (15,9mm) Barra para polo tierra 5/8" x 8" (15,9mm x 2,4mm) Cable de cobre forro plástico S/R Cinta metálica band-it 1/2" (12,7mm) Conector de compresión S/R Conector Universal S/R. Cortacircuito 25 KV,100 A Estribo para grapa linea viva S/R. Extensión para cortacircuito y pararrayos. Fusible tipo "T" S/R. Grapa para línea viva. Grapa para polo tierra. Hebilla band-it 1/2 " Pararrayos tipo distribución 21 KV. Perno máquina 5/8 x 10 ". Perno máquina 5/8 x 2". Perno máquina 1/2 x 1 1/2". Tubo de acero galvanizado 1/2 ". 37 45 48 50 51 53 74 75 78 83 84 90 103 110 113 114 144 124 COD: 23 T1C VOLTAJE NOMINAL: 24,9 kV CANTIDAD P A 3 15m 15m 2 2 3 1 6m 4m 5 2 1 1 1 1 1 1 4 1 2 2 2m 1 6m 4m 5 2 1 1 1 1 1 1 4 1 3 2 2m 2.3. EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 3 TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Y TRANSFORMADORES DE POTENCIAL. 2.3.1 OBJETIVOS • Comprender cuál es la función principal de la medición primaria en la industria o en subestaciones de distribución de energía. • Conocer las características principales de funcionamiento, construcción y montaje de los transformadores de potencial y de corriente. • Identificar cuáles son los errores más usuales que se dan en la medición primaria. • Entender el diagrama interno de un transformador de potencial. • Conocer la capacidad general de los transformadores de corriente • Conocer las partes de un transformador de corriente. • Qué el alumno sepa distinguir las especificaciones de los transformadores de corriente. • Qué el alumno utilice la relación de transformación para dimensionar la capacidad de los transformadores de corriente. • Conocer los factores de corrección del transformador. 2.3.2 EXPOSICIÓN TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Una frase general para definir a los transformadores de corriente es: “Transformadores de Instrumento”, ya que son dispositivos para modificar y transformar en forma precisa la corriente u otro valor menor, por las siguientes razones: • Para reducir en forma precisa, por medio de la transformación, la magnitud de la corriente del circuito primario a valores más manejables que sean de uso en la salida, por lo general 5 ó 1 A (en corriente). • Para aislar el equipo secundario (Instrumentos de medición y/o protección) de los voltajes primarios que por su valor son peligrosos. • Para dar a los usuarios mayor flexibilidad en la utilización del equipo, en aplicaciones tales como: medición y protección. Para revisar la conveniencia y posibilidad de aplicar el mismo tipo de transformador de instrumento para aplicaciones simultáneas en medición y protección. • Para permitir a los usuarios su uso y a los manufactureros una fabricación menos costosa, mediante el uso de componentes estándar para mayor economía y flexibilidad de aplicación. Las personas familiarizadas con el uso de transformadores de instrumento saben que se utilizan principalmente en aplicaciones de protección y medición, pero también en boquillas de: interruptores, transformadores de potencia y generadores. Desde luego, se usan también en: 125 • Subestaciones……. Para protección y medición. • Generadores………. Para protección y medición. INFORMACIÒN BÀSICA PARA LA ESPECIFICACIÒN DE TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO Para las aplicaciones de protección y medición, se deben especificar algunas características en los transformadores de instrumento, considerando que las aplicaciones básicas son para medición y control, como sigue: • Medición (con clase de precisión 0.3%). • Protección (con precisión normal requerida). • Indicación (para aplicaciones más económicas). • Para aplicaciones especiales (con requerimientos especiales). Como sabemos la medición de corrientes alternas es una de las cosas más comunes, no sólo por la medición misma, sino porque se requiere para determinar otros parámetros de los circuitos eléctricos. Cuando las corrientes por medir son relativamente pequeñas y los circuitos de baja tensión, la medición se puede hacer en forma directa, en cambio si los voltajes son superiores a 1000 volts por ejemplo o las corrientes exceden a valores considerados como seguros, se debe obtener unareplica de la corriente en el circuito primario por medio del uso de los llamados transformadores de corriente y que son dispositivos que están diseñados para operar en su primario con la corriente nominal del circuito al cual se inserta en serie este devanado primario. El secundario de estos transformadores se conecta a los instrumentos de medición y relevadores que debe alimentar; la corriente secundaria es proporcional y está en fase con la del primario. La corriente del secundario de los transformadores de corriente (TC) es por lo general de 5 Amperes en forma normalizada. La ecuación básica para los transformadores de corriente es la siguiente: I1 ∗ N1 = I 2 ∗ N 2 Ec. (1.6) También: I1 N 2 = = Kn I 2 N1 Ec. (1.7) Donde: Kn = relación de transformación I1 = corriente en el devanado primario I2 = corriente en el devanado secundario N1 y N2 = número de espiras en los devanados primario y secundario respectivamente. 126 Si se designa por Zc la impedancia de la carga, el voltaje que aparece en el secundario de un TC es función de otra impedancia de carga. V2 = I 2 ∗ Z c Ec. (1.8) Si se considera la impedancia interna del TC entonces el voltaje secundario es: V 2 = (Z c + Z i ) ∗ I 2 Ec. (1.9) En el transformador de corriente se deben considerar para su aplicación los errores de relación y de ángulo, mismos que implícitamente aparecen en la denominada clase de precisión de estos transformadores. Para la aplicación de los transformadores de corriente se requiere conocer como parámetros principales los siguientes: Corriente primaria Los valores normalizados para corrientes primarias en los transformadores de corriente son los que se indican EXPRESADOS EN AMPERES: Tabla 2.9 Valores Normalizados para Corrientes 5 100 1200 10 150 1500 15 200 2000 20 300 3000 25 400 4000 30 600 5000 40 800 6000 75 Corriente Secundaria El valor nominal de la corriente secundaria de los RC normalmente es 5 Amperes. Corriente de corto circuito para efectos térmicos. La corriente de corto circuito que produce efectos en los transformadores de corriente se calcula de acuerdo con la expresión. Iterm = Ik t + 0.005 × 127 50 f Ec. (1.10) Donde: Ik = corriente de corto circuito en kA f = frecuencia del sistema en Hertz t = tiempo de disparo del interruptor Corriente de corto circuito de efectos dinámicos Los transformadores de corriente por tener su devanado primario en serie con los circuitos a los cuales se conecta se ven sometidos a esfuerzos dinámicos producidos por las corrientes de corto circuito. El valor de la corriente dinámica de corto circuito en los TC no debe ser inferior a 2.5 veces la corriente de efectos térmicos, es decir: Potencia de Salida del TC La potencia de los transformadores de corriente se expresa en volt-amperes (VA) y depende de los instrumentos que alimentará, así como la carga propia que representan los propios cables de control. Clase de Precisión: Los transformadores de corriente pueden tener un error magnitud (relación de transformación) o en su ángulo de desfasamiento, este tipo de errores define lo que se conoce también como la clase de precisión del RC y que tiene que ver desde luego con el tipo de aplicación que se dará al TC. Nivel básico de aislamiento Para los transformadores de corriente tipo intemperie se debe especificar en forma análoga a los transformadores de potencial el nivel básico de aislamiento al impulso. Algunos ejemplos de tensiones utilizadas con sus respectivos niveles básicos de aislamiento al impulso por rayo se recomiendan: Tabla 2.10 Nivel básico de Aislamiento Tensión Tensión Máxima de diseño KV Nivel básico de aislamiento KV 69 72.5 350 115 123 550 230 245 900-1050 400 420 1300-1425 Nominal Número de devanados secundarios Por lo general cualquier transformador para medición y otro para protección, sin embargo cada vez es más común encontrar transformadores de corriente con tres devanados, sobre todo cuando se 128 usan esquemas de protección diferentes, protección con auxiliares, respaldos, etc., así como consideraciones particulares para la protección diferencial y de distancia. Carga debida a los cables de control Además de la carga de los instrumentos que va a alimentar en TC se debe tener capacidad para alimentar la carga debida a la resistencia de los cables de control. La corriente que debe alimentar en TC se calcula como: VATC = VAinstrumento + VAconductor Ec. (1.11) La carga debida a los cables de control se calcula a partir de la resistencia del conductor usado y convidando la longitud del cable de ida y retorno como: VAconductor = RI 2 Ec. (1.12) Donde: I = corriente secundaria en el TC, normalmente 5 A. R = resistencia del conductor en ohms. ⎛ ohms ⎞ R = r⎜ ∗ 2l ⎟ ⎝ m ⎠ Ec. (1.13) Sección mínima del cable de control La sección mínima que deben tener los cables de control que alimentan a los instrumentos se calcula de acuerdo con las siguientes consideraciones: La potencia consumida por el cable de control es: P = RI 2 Ec. (1.14) Donde la resistencia del conductor se calcula como: ⎛L⎞ R = ρ ⎜ ⎟ ohms ⎝S⎠ Siendo: L = longitud total del conductor (m) S = sección del conductor (mm2) ρ = resistividad del material en (ohms-mm2 / m) 129 Ec. (1.15) ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Las principales especificaciones técnicas que se deben proporcionar para la compra de los TC son las siguientes: • Voltaje nominal del sistema y voltaje máximo de diseño. • Frecuencia • Nivel de aislamiento • Número de devanados secundarios • Relación de transformación • Potencia de los devanados en VA • Clase de precisión • Corriente térmica de corto circuito • Corriente dinámica de corto circuito • Condiciones climatológicas como temperaturas máxima y mínima, humedad, contaminación, etc. • Condiciones de lugar: altura sobre el nivel del mar, nivel sísmico, etc. CONEXIÒN DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE En la protección de transformadores de potencia en donde se usan transformadores de corriente en los lados de alto voltaje es necesario que se tome en consideración para la conexión trifásica de los TC. La conexión que tienen los devanados de los transformadores de potencia. En una forma simplificada se puede seguir la regla indicada en la tabla 2.11, en donde se muestra la conexión de transformadores de potencia y corriente, con sus devanados primarios y secundarios. La Tabla es mostrada a continuación: 130 Tabla 2.11 Conexión de Transformadores Transformadores de Potencia Transformadores de Corriente Conexión del Conexión del Conexión del Conexión del primario secundario primario secundario Estrella Delta Delta Estrella Delta Delta Estrella Estrella Delta Estrella con neutro a tierra Estrella Delta Estrella con neutro a tierra Delta Estrella con neutro a tierra Delta TRANSFORMADORES DE POTENCIAL. Transformador de Potencial TT/PP. Es un transformador devanado especialmente, con un primario de alto voltaje y un secundario de baja tensión. Tiene una potencia nominal muy baja y su único objetivo es suministrar una muestra de voltaje del sistema de potencia, para que se mida con instrumentos incorporados. Además, puesto que el objetivo principal es el muestreo de voltaje deberá ser particularmente preciso como para no distorsionar los valores verdaderos. Se pueden conseguir transformadores de potencial de varios niveles de precisión, dependiendo de que tan precisas deban ser sus lecturas, para cada aplicación especial. El enrollado primario de un transformador de potencial se conecta en paralelo con el circuito de potencia y en el secundario se conectan los instrumentos o aparatos de protección. Estos transformadores se construyen para todas las tensiones de circuitos normalizados. Normalmente son de tipo seco o moldeado para tensiones inferiores a 23 KV y en baño de líquido para tensiones superiores. Los transformadores de potencial se comportan en forma similar a un transformador convencional de dos bobinas. 131 Figura 12. 1 Circuito Equivalente Errores en los transformadores de potencial En los transformadores de potencial existen 2 tipos de errores que afectan a la precisión de las medidas hechas con transformadores: • Error de relación: Es la diferencia entre la relación verdadera entre la tensión del primario y secundario y la relación indicada en la placa característica. • Error de ángulo: Es la diferencia en la posición de la tensión aplicada a la carga secundaria y la tensión aplicada al devanado primario. El error de ángulo se representa con el símbolo (g), está expresado en minutos y se define como positivo cuando la tensión aplicada a la carga, desde el terminal secundario marcado al no marcado, está adelantada respecto a la tensión aplicada al primario desde el terminal marcado al no marcado. Clasificación de los errores. En el transformador de potencial interesa que los errores en la relación de transformación y los errores de ángulo entre tensión primaria y secundaria se mantengan dentro de ciertos límites. Esto se obtiene sobredimensionando tanto el núcleo magnético como la sección de los conductores de los enrollados. La magnitud de los errores depende de la característica de la carga secundaria que se conecta al transformador de potencial. Para su clasificación desde el punto de vista de la precisión (error máximo en la relación de transformación) las diversas normas sobre transformador de potencial exigen que los errores de medición se mantengan dentro de ciertos valores para determinadas características de la carga. 132 Conexiones trifásicas Para conectar transformadores de potencial en forma trifásica se usan dos tipos de conexiones usualmente, estas son: • Conexión estrella-estrella: Se utiliza cuando se requiere neutro en el secundario. • Conexión en V: Esta conexión se utiliza cuando no se requiere neutro secundario, es más económica ya que. se requiere solo dos transformadores de potencial. 2.3.3. PRUEBA TEÓRICA DE CONOCIMIENTOS. • ¿Cuál es la definición de transformador de corriente? Explique • Mencione los tipos de transformadores de corriente. • ¿Por qué se les llama transformadores de medición? • ¿De qué tipo son los transformadores especiales? • Si en el primario de un transformador de potencial tengo una conexión Delta y en el secundario una Delta ¿cómo tengo que hacer las conexiones en el transformador de corriente? • ¿Cuál es la definición de transformador de potencial? • Explique el funcionamiento interno de un transformador de potencial. • Mencione los errores que afectan la precisión de la medición efectuada con un transformador de potencial. • Como se pueden clasificar los tipos de errores. • Para qué nivel de voltaje máximo se fabrican los transformadores de potencial. • ¿Qué normas de seguridad debe cumplir para realizar mediciones en este tipo de instalaciones? 2.3.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS • 1 Transformador de Corriente 25 kV, S/R. • 1 transformador de potencial. • Cortacircuitos 25 kV, 100 A. • Fusibles tipo T, S/R. • Tenaza punta redonda. • Tenaza cortadora. • Juego de destornilladores. • Multímetro. • Clamper. • Pararrayos tipo Distribución 21 kV. • Alambre de Cobre No. 4, desnudo. 133 2.3.5. PROCEDIMIENTO PARTE A. • Con ayuda de su instructor y haciendo uso de los conocimientos obtenidos y las herramientas necesarias, construir el circuito mostrado en la figura 12.2. Recuerde: En este circuito se está simulando el trabajando con altos voltajes, guarde las medidas de protección personal y de seguridad para el equipo. • Energice el circuito según las indicaciones del instructor. • El armado del circuito se hará sin los transformadores de medición se pasara directamente de los cortacircuitos hacia los transformadores monofásicos. • El instructor mostrará físicamente los transformadores de medición y explicará su funcionamiento. Además expondrá la aplicación que realizan en una instalación eléctrica.. PARTE B. • Haciendo uso del equipo de medición adecuado, tomar las lecturas de corriente y voltaje en los siguientes puntos. Es muy importante que esta parte quede muy clara porque al final del curso se deja un proyecto en donde todos estos elementos están involucrados. Fase A: Tabla 2.12 Mediciones PUNTO DE MEDICIÓN VOLTAJE CORRIENTE POTENCIA Conector de Compresión S/R. A la salida del Pararrayos. A la salida del fusible tipo “T” S/R. A la salida del transformador de corriente. A la salida del Transformador de Potencial. Fase B: Tabla 2.13 Mediciones PUNTO DE MEDICIÓN VOLTAJE Conector de Compresión S/R. A la salida del Pararrayos. A la salida del fusible tipo “T” S/R. A la salida del transformador de corriente. A la salida del Transformador de Potencial. 134 CORRIENTE POTENCIA Fase C: Tabla 2.14 Mediciones PUNTO DE MEDICIÓN VOLTAJE Conector de Compresión S/R. A la salida del Pararrayos. A la salida del fusible tipo “T” S/R. A la salida del transformador de corriente. A la salida del Transformador de Potencial. 135 CORRIENTE POTENCIA CONEXIONES TIPICAS DE TRANSFORMADORES DE MEDICION Figura 12. 2 Transformadores de Medición 136 2.3.6. CUESTIONARIO. • ¿Qué tan confiable es la precisión de un transformador de corriente? • Describa un transformador de corriente tanto externa como internamente. • ¿De cuánto es generalmente el aislamiento de estos transformadores? • ¿Qué sucedería si a la hora de trabajar con un transformador de corriente no se cortocircuita el secundario? • Calcular la capacidad en VA para un TC que alimentará a un amperímetro con un consumo de 2.5 VA y un wattímetro que tiene un consumo de 1.5 VA y un relevador de corriente con 3 VA de consumo. El conductor de alimentación a los aparatos tiene una longitud de 50 m y es de No. 14 AWG con una resistencia de 0.0086 ohms/m. El transformador tiene una relación de transformación de 100/5 y está conectado a una línea de 115 V. • El transformador visto en la práctica es de interior o exterior ¿Por qué? • ¿Qué normas de seguridad debe cumplir para realizar mediciones en este tipo de instalaciones? 2.3.7. ANEXOS. Figura 12. 3 Transformadores de Corriente. 137 EJEMPLO DE MODELO DE TRANSFORMADOR. Figura 12. 4 Modelo de Transformador. 138 ELEMENTOS DEL DIAGRAMA A REALIZAR EN EL EXPERIMENTO, SEGÚN CÓDIGO Tabla 2.15 Elementos según Código No. 2 4 4A 4B 5 5A 6 6A 6B 22 23 37 46 47 48 50 51 53 55 74 75 78 83 84 90 100 100A 100B 103 113 114 116 Descripción Abrazadera completa 7-7 5/8" (177,8193,7mm) Bushing conduit 1" (25,4mm) Tuerca conduit 1" (25,4 mm) Terminal recto 1" (25,4mm), tipo "LT" Cuerpo "LB" conduit 1" (25,4mm) Cuerpo "T" conduit 1" (25,4 mm) Accesorio de seguridad, candado. Accesorio de seguridad, sello de plomo 6" (152,4mm) Accesorio de seguridad, sello de plomo 24" (609,6mm) Alambre de cobre # 4, desnudo Almohadilla para crucero Barra para polo tierra 5/8 x 8' (15,9 mm x 2,4 m) Cable de control 7 conductores # 12 Caja de lámina pequeña para medición con ventana Cinta metálica band-it 1/2" (12,7 mm) Conector de compresión S/R Conector universal S/R Cortacircuito 25kV, 100 A Crucero angular de hierro 94" (2388 mm) Estribo para grapa de línea viva S/R Extensión para cortacircuito y pararrayos Fusible tipo "T" S/R Grapa para línea viva Grapa para polo tierra Hebilla band-it 1/2" (12,7mm) Medidor de tres elementos, electrónico Medidor Trifilar Medidor Bifilar Pararrayos tipo distribución 21 Kv Perno máquina 5/8 x 2" (15,9 x 50,8 mm) Perno máquina 1/2 x 1 1/2" (12,7x304,8mm) Perno todo rosca 5/8x12"(15,9x304,8mm) 139 1 Fase 2 Fase 3 Fase 3 3 3 1 2 2 1 1 1 1 2 6 1 1 1 1 2 10 1 1 1 3 3 3 1 1 1 18m 2 25m 2 30m 4 1 1 1 7m 8m 9m 1 1 1 6m 1 2 1 6m 2 2 2 6m 3 2 3 2 4 1 2 3 1 2 1 1 1 4 2 2 1 4 3 3 1 4 1 1 1 1 2 3 5 6 7 2 8 12 4 4 2.4 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 4 INTERRUPTORES Y SUS CARÁCTERISTICAS. 2.4.1 OBJETIVOS • Que el alumno conozca los tipos de Interruptores para las instalaciones en alta tensión. • Que el alumno conozca las partes de los interruptores. • Que el alumno conozca las condiciones normales de servicio de los interruptores. • Que el alumno conozca las características más importantes sobre las condiciones de operación. 2.4.2 EXPOSICIÓN INTERRUPTORES Por definición, un interruptor es un dispositivo que cierra e interrumpe (abre) un circuito eléctrico entre contactos separables, bajo condiciones de carga o de falla. TIPOS DE INTERRUPTORES En esta parte sólo se hace referencia al interruptor para las instalaciones en alta tensión, es decir, no se consideran los interruptores de tipo electromagnético para instalaciones de baja tensión. Existe distintas formas de clasificar a los interruptores, una de ellas es por su medio de extinción, pudiendo ser: interruptores en aceite (de gran volumen de aceite y de pequeño volumen de aceite), interruptores neumáticos, interruptores en vacío e interruptores en hexafloruro de azufre (SF6). También, se clasifican los interruptores por su construcción de “tanque muerto” o de “tanque vivo”. De tanque muerto significa que el tanque del interruptor y todos sus accesorios se mantienen al potencial de tierra y que la fuente externa y conexiones a la carga se hacen por medio de boquillas convencionales. De tanque vivo significa que las partes metálicas y de porcelana que contienen el mecanismo de interrupción se encuentran montadas sobre columnas de porcelana aislante y están, por lo tanto, al potencial de línea. En la siguiente tabla, se da una clasificación de los interruptores por su medio de interrupción y la disponibilidad que se tiene de los mismos. 140 Tabla 2.16 Tipos Interruptores No existen guías generales para la aplicación de estos tipos de interruptores, de hecho, en cada proyecto se debe determinar la capacidad requerida por el interruptor, su compatibilidad con otros instalados en subestaciones conexas, los requerimientos de comportamiento (interrupción de corrientes capacitivas, restrikes, etc.) y por supuesto las consideraciones de costo, que son importantes en la selección final. Los interruptores en aceite se encuentran disponibles en rangos de 2.4 KVA hasta 69 KV en tanques individuales, el traslape entre polos individuales y distintos valores de corrientes de carga y capacidades interruptivas. Los límites de temperatura, las limitantes de presión en el tanque y algunos otros criterios de diseño, son factores que influyen también en la selección del interruptor para alguna aplicación específica. En las figuras siguientes, se muestran algunas de las partes principales de los interruptores en aceite, esto es con fines de identificación, en particular cuando se trata de especificaciones y para el arreglo de disposición del equipo. Figura 13. 1 Interruptor de Aceite 141 Figura 13. 2 Estructura de un Interruptor. 142 Figura 13. 3 Interruptor de Hexafloruro de Azufre (SF6) INTERRUPTORES DE HEXAFLORURO DE AZUFRE (SF6) El medio de extinción de arco eléctrico debe ser gas SF6 (Hexafloruro de Azufre) a una sola presión. En casos especiales como: ampliaciones sustituciones, etc. Todos los interruptores deben ser para servicio tipo intemperie. VALORES NOMINALES DE VOLTAJE, FRECUENCIA Y CORRIENTE • La corriente nominal de los interruptores debe estar de acuerdo a lo indicado en la tabla 2.18. Esta corriente está dada por el valor eficaz (r.m.s.) de la corriente, que es capaza de conducir continuamente el interruptor sin sufrir ningún daño a la frecuencia nominal y sin exceder los valores de elevación de temperatura de diferentes partes del interruptor. • Las tensiones nominales de los interruptores deben estar basados de acuerdo a la tabla 2.17, que se da a continuación. 143 • Los interruptores se deben diseñar para operar a 60 HZ o 50 HZ. Tabla 2.17 Tensiones Nominales para Interruptores Tabla 2.18 Corrientes Nominales para Interruptores 144 CONDICIONES NORMALES DE SERVICIO • Los interruptores deben estar diseñados para sistemas conectados sólidamente a tierra. • Los interruptores deben operar a una temperatura ambiente que no exceda de 40 °C. También deben estar diseñados para operar a una temperatura mínima de -25°C. • Se deben diseñar para operar a una altura de 1000 m.s.n.m. En caso en que las necesidades de operación requieran una altura mayor, se deben hacer las correcciones necesarias, de manera que el interruptor mantenga a la altitud en que se encuentre instalado, los niveles de aislamiento establecidos en esta guía. NIVEL DE AISLAMIENTO Los niveles básicos de aislamiento deben estar de acuerdo con los criterios generales para la coordinación en las subestaciones eléctricas. Sobre las Condiciones de Operación. Capacidad Interruptiva • Los interruptores deben cumplir con la corriente interruptiva de cortocircuito dada por el valor eficaz (r.m.s.) de su componente de CA asociada con una componente de CD y debe estar de acuerdo con la tabla 2.19. • La corriente sostenida de corta duración (3 segundos) debe ser indicada en la tabla 2.19. Esta corriente es la que el interruptor es capaz de conducir en posición cerrada y con un valor igual al de la corriente interruptiva de cortocircuito. Tabla 2.19 Niveles de Tensión para Interruptores 145 TIEMPO DE INTERRUPCION Los tiempos de interrupción se indican en la tabla siguiente: Tabla 2.20 Tiempos de Interrupción MECANISMOS DE OPERACIÓN El interruptor debe contar con un mecanismo de operación de energía almacenada con control eléctrico local y remoto, y también local manual, que permita el disparo de emergencia sin alimentación externa. • En interruptores con tensiones de 245 kV y mayores, se debe suministrar un mecanismo de operación por polo, de tal manera que cada polo debe ser independiente, tanto en su cimentación como en su operación. • En los interruptores con tensiones de 123 kV, se debe suministrar un mecanismo de operación de operación por polo, excepto cuando las necesidades de operación indiquen que se debe suministrar un mecanismo para los tres polos. • En el caso donde se suministre un mecanismo de operación por polo, también se debe suministrar un tanque de almacenamiento de aire, un acumulador hidráulico o un resorte por cada polo. • La energía almacenada para operación del mecanismo debe ser de cualquiera de los tres tipos siguientes: • Neumática • Hidráulica • Resorte 146 • La carga de la energía almacenada debe proporcionarse por medio de un motor eléctrico que accione una bomba o un compresor o cargue un resorte. CRITERIOS GENERALES PARA SELECCIÓN Y APLICACIÓN • El tiempo de cierre del interruptor a una frecuencia de 60 Hz, debe ser como máximo 0.16 segundos (10 ciclos). • La capacidad de ejecución a tensión nominal para la apertura del interruptor deberá ser de 0.3 segundos. • La operación de cierre seguida inmediatamente de una operación de apertura, sin ningún retraso adicional, debe ser de 3 minutos. • Los interruptores deben cumplir con no exceder las diferencias en simultaneidad de tiempos de operación entre el primero y el último polo, de acuerdo a las siguientes condiciones. • o En operación de cierre, 3 milisegundos, máximo. o En operación de apertura, 2 milisegundos, máximo. Cuando existan más de una cámara de interrupción por polo, se debe verificar de no exceder las diferencias de simultaneidad de tiempos de operación entre el primero y el último contacto del mismo polo, de acuerdo a las siguientes condiciones: o En operación de cierre, 2 milisegundos, máximo. o En operación de apertura, 2 milisegundos, máximo. NIVELES DE AISLAMIENTO DE LOS INTERRUPTORES Para estar de acuerdo con el criterio de coordinación de aislamiento de la subestación se debe especificar: • Nivel básico de aislamiento al impulso por rayo o NBI • Tensión de flameo a 60 Hz. en seco para el aislamiento externo (boquillas). • Eventualmente tensión de flameo en húmedo en las boquillas. • Nivel básico de aislamiento al impulso por maniobra de interruptores, cuando estos se instalan en sistemas de 400 kV o tensiones mayores (NBS). Por lo general, el NBI al impulso por rayo y por maniobra (en su caso) corresponde a los valores usados para el resto de los aislamientos externos de la subestación (boquillas de transformadores, TP, TC, cadenas de aisladores, etc.). Otro elemento a especificar desde el punto de vista dieléctrico, es la distancia longitudinal (d). La distancia (d) debe tener un valor mínimo igual a la distancia de fase a tierra a la altura correspondiente al sitio. La distancia de fuga en las boquillas es función del tipo de contaminación estimada en la zona de la instalación del interruptor. 147 El factor de sobre tensión se refiere a la máxima sobre tensión por maniobra de interruptores (en 400 KV) que puede aparecer en el sistema de acuerdo a los estudios analíticos de sobre tensiones en la red realizados por computadora y que arrojan resultados de tipo estadístico bajo diferentes condiciones de maniobras (simulaciones) en la red. ESPECIFICACIONES DE MANTENIMIENTO PARA INTERRUPTORES Los interruptores durante las operaciones de apertura y cierre se ven sometidos a esfuerzos mecánicos de accionamiento y a esfuerzos dieléctricos y térmicos en los contactos. Esta acción hace que los interruptores eventualmente puedan fallar en la parte mecánica y/o en los contactos, por esta razón se debe especificar un número de maniobras mecánicas determinadas pudiéndose indicar: • Máximo número de maniobras • Efectos térmicos en los contactos y se expresa por el número de maniobras a determinado valor de corriente. Por ejemplo: Los contactos deben permitir antes de su reemplazo las siguientes interrupciones: • Tres interrupciones a máxima corriente de corto circuito. • Cinco interrupciones al 50 % de la máxima corriente de corto circuito. • Diez interrupciones al 15 % de la máxima corriente de corto circuito. 2.4.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTO. • Mencione el funcionamiento de un interruptor. • Mencione los tipos de interruptores conocidos. • ¿Qué puede decir acerca del nivel básico de aislamiento en interruptores? • ¿Qué parámetro es el que se toma en cuenta para establecer los tiempos de cierre e interrupción en los interruptores? • Mencione los tres mecanismos de operación interna de los interruptores. 2.4.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS Debido a que esta práctica será demostrativa no se utilizará ningún equipo. 2.4.5 PROCEDIMIENTO. En esta parte el instructor dará al grupo de estudiantes de ingeniería eléctrica una charla sobre los Interruptores y sus características; dicha charla tiene que ser asesorada por el catedrático de la 148 materia, para que posteriormente el alumno verifique en futuras visitas técnicas a subestaciones, los diferentes tipos de interruptores y las conexiones que los mismos poseen. 2.4.6 CUESTIONARIO • Investigue cuales son las especificaciones de prueba para los interruptores. • Por lo general como parte del proyecto de una subestación eléctrica están las especificaciones de los equipos y distintas componentes y parte de especificaciones es lo que se conoce como especificación técnica, en donde se deben dar datos sobre condiciones climatológicas del lugar, humedad, condiciones del tiempo, velocidad de vientos, etc. Investigue y mencione las especificaciones que debe tener un interruptor para uso interior y para intemperie. • Investigar sobre el interruptor de aire comprimido y explicar su funcionamiento. • Mencione tres condiciones en las cuales las sobre tensiones de maniobra en la red excedan a 2.5 p.u. 149 2.4.7 ANEXOS Figura 13. 4 Dimensiones Interruptor Tripolar 150 Figura 13. 5 Estructura Interruptor Tripolar 151 Figura 13. 6 Interruptor Figura 13. 7 Transformador de Corriente. 152 2.5 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 5. TRANSFORMADORES MONOFASICOS. 2.5.1 OBJETIVOS. • Entender el funcionamiento básico de un transformador • Conocer la construcción física de los transformadores. • Conocer las relaciones de voltaje y corriente de un transformador monofásico. Relación de transformación. • Comprender las distintas pruebas que se le realizan a los transformadores. 2.5.2 EXPOSICION Se denomina transformador a una máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc. Si suponemos un equipo ideal y consideramos, simplificando, la potencia como el producto del voltaje o tensión por la intensidad, ésta debe permanecer constante (ya que la potencia a la entrada tiene que ser igual a la potencia a la salida). Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados, en este caso puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario. Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dependiendo de la frecuencia de la corriente. Este campo magnético variable originará, por inducción, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario. La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) . Ep Np = Es Ns 153 Ec. (1.16) La razón de transformación del voltaje entre el bobinado primario y el segundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario. En el segundario habrá el triple de tensión. Np Vp = Ns Vs Ec. (1.17) Figura 14. 1 Razón de Transformación. Esta particularidad tiene su utilidad para el transporte de energía eléctrica a larga distancia, al poder efectuarse el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades y por tanto pequeñas pérdidas. Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, si aplicamos una tensión alterna de 230 voltios en el primario, obtendremos 23000 Voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación. Ahora bien, como la potencia aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario, el producto de la fuerza electromotriz por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte). El arrollamiento de entrada y el de salida envuelven la misma columna del núcleo de hierro. El núcleo se construye de hierro por que tiene una gran permeabilidad, o sea, conduce muy bien el flujo magnético. En un transformador, el núcleo tiene dos misiones fundamentales: • Desde el punto de vista eléctrico –y esta es su misión principal- es la vía por que discurre el flujo magnético. A través de las partes de la culata conduce el flujo magnético siguiendo un circuito prescrito, de una columna a otra. • Desde el punto de vista mecánico es el soporte de los arrollamientos que en él se apoyan. 154 Hay tres tipos de pérdidas que se representan en los transformadores: • Pérdidas en el cobre. • Pérdidas por histéresis. • Pérdidas por corrientes parásitas Determinación las constantes del transformador. Los valores reales de resistencia y reactancia de los devanados de un transformador, se pueden obtener de pruebas de laboratorios mediante mediciones y algunos cálculos relativamente simples y que son la base de los valores usados en los circuitos equivalentes. La prueba de corto circuito en el transformador. La prueba de corto circuito consiste en cerrar o poner en corto circuito, es decir, con una conexión de resistencia despreciable, las terminales de uno de los devanados y alimentar el otro con un voltaje reducido (aplicado en forma regulada_ de un valor reducido de tensión que representa un pequeño porcentaje del voltaje del devanado por alimentar, de tal forma, que en éstos circulen las corrientes nominales. En estas condiciones se miden las corrientes nominales y la potencia absorbida. Debido a que la tensión aplicada es pequeña en comparación con la tensión nominal, las pérdidas en vacío o en el núcleo se pueden considerar como despreciables, de manera que toda la potencia absorbida es debida a las pérdidas por efecto joule en los devanados primario y secundario. Regulación del transformador. La regulación de un transformador se define como la diferencia entre los voltajes secundarios en vacío y a plena carga, medidos en terminales, expresada esta diferencia como un porcentaje a plena carga. Para el cálculo en vacío se debe tomar en consideración el factor de potencia de la carga. La eficiencia en los transformadores. En general, la eficiencia de cualquier máquina eléctrica, se calcula como: Eficiencia = Pot.encia salida Potencia salida = Potenciaentrada Potencia salida + Pérdidas Ec. (1.18) Eficiencia diaria de los transformadores. Dependiendo de la aplicación de los transformadores, con frecuencia se usan para operar las 24 horas por día, aún cuando la carga no sea continua en el período total de operación. En estas condiciones un transformador tiene dos conceptos de eficiencia, una global para condición de 155 plena carga y otro para distintas cargas al día, es decir, la llamada eficiencia diaria. Esta eficiencia diaria se expresa como la relación de la energía de salida a la energía de entrada durante el período de 24 horas. 2.5.3 PRUEBA TEÓRICA DE CONOCIMIENTOS. • Explique el funcionamiento de un transformador y además describa cada una de sus partes. • ¿Qué es la relación de transformación? • ¿En qué consiste la prueba de cortocircuito? • ¿Qué es el porcentaje de regulación de un transformador? • Explique en qué consiste la eficiencia de un transformador. 2.5.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS. • Transformador monofásico 10 KVA. • Analizador de redes. • Clamper. • Multímetro. 2.5.5 PROCEDIMIENTO. Observe el transformador y señale las partes importantes que tiene el mismo, además trate de conocer cuál es el devanado primario y el secundario respectivamente. Además trate de visualizar la forma del núcleo y los devanados y diga cómo se le llama este tipo de configuración del transformador. Tome el transformador como una caja negra y trate de inyectarle señales de voltaje tomadas de la red eléctrica del laboratorio a la entrada y observe la respuesta que este tiene a la salida y vea el comportamiento. Conecte el devanado primario a un rango de voltaje que se muestra en la tabla 2.21, mida con los voltímetros los voltajes primario y secundario respectivamente. Anote los resultados en la tabla correspondiente y trace una gráfica del comportamiento del transformador. 156 Figura 14. 2 Transformador Monofásico Tabla 2.21 Mediciones Voltaje (V) Voltaje (V) Primario Secundario 15 30 45 60 75 Identifique el factor de proporcionalidad del voltaje que relaciona los dos voltajes del transformador (Relación de transformación): El voltaje que puede generarse en el secundario no es ilimitado depende de dos factores de los cuales son la corriente que circula en la bobina y además la saturación del material ferromagnético. 90 Ahora conecte una carga resistiva al secundario y mida corriente y voltaje tanto en el primario como en el secundario, utilizando los datos de la tabla 2.22 y anote los resultados. Ahora haga el mismo proceso con la carga inductiva en paralelo a la carga resistiva con un factor de potencia atrasado de 0.8 y anote los resultados en la tabla 2.22. Para esto mismo trate de trazar la curva de corriente de secundario y primario, lo mismo con los voltajes. Recuerde que siempre que se conecta una carga capacitiva a un circuito el voltaje aumenta en sus terminales debido a que este tipo de carga inyecta potencia reactiva a la red; mientras que si se conecta una carga inductiva, el voltaje en terminales disminuirá debido a que consume reactivos de la red. La carga capacitiva nos da un factor de potencia en adelanto y la carga inductiva nos da un factor de potencia en atraso. 157 Tabla 2.22 Mediciones Transformador CARGA CON FACTOR CARGA RESISTIVA Voltaje (V) DE POTENCIA ATRASADO Corriente Voltaje Corriente Voltaje Corriente (A) (V) (A) (V) (A) Primario Secundario Secundario 15 30 45 60 75 90 Con la ayuda de las herramientas que se tienen en la computadora o el Multímetro analizador de redes. Determine los fasores de voltaje y de corriente de los circuitos acoplados, la frecuencia a ambos lados del transformador, observe si el factor de potencia depende de la corriente o el voltaje aplicado. Compare la potencia entregada y transmitida. Diga si hay variaciones para las preguntas que se presenta a continuación: Tabla 2.23 Mediciones Tabla 2.24 Mediciones Para la bobina primaria: Para la bobina secundaria: Frecuencia: Angulo de fase: Voltaje: Corriente: Potencia Compleja Frecuencia: Angulo de fase: Voltaje: Corriente: Potencia Compleja 158 2.5.6 CUESTIONARIO. • ¿Además de variar el voltaje en el primario de que otra forma se puede modificar el voltaje en el secundario? • Toque el transformador y responda si es una maquina eficiente. Justifique su respuesta basándose en la temperatura. • Con lo visto anteriormente dibuje los fasores de corriente y voltaje que existen dentro del transformador cuando el transformador está en vacío y cuando el transformador trabaja con una carga capacitiva primeramente y luego con una carga inductiva e indique en cada caso como variará el factor de potencia. DIAGRAMA FASORIAL EN VACÍO. DIAGRAMA FASORIAL CON CARGA. 159 2.5.7 ANEXOS. PARTES DEL TANQUE (TRANSFORMADOR MONOFÁSICO TIPO POSTE) 1 Boquilla de baja tensión. 2 Válvulas de drenaje y muestreo. 5 Aditamentos para levantar el transformador. 7 Conectores de baja tensión a tierra. 8 Puente de la baja tensión a tierra. 10 Boquillas de alta tensión. 13 Protector de boquillas de baja tensión. 14 Dato de la capacidad del transformador. Figura 14. 3 Transformador Monofásico con Pararrayos 160 PARTES DEL TRANSFORMADOR MONOFÁSICO TIPO POSTE. 1 Soporte para colgar en poste. 4 Cambiador de derivaciones de operación externa. 6 Conectores de tierra. 9 Válvula de sobre presión manual y automática. 12 Placa de datos. 17 Apartarrayos por cada boquilla de alta tensión. 19 Interruptor térmico ó termomagnético. 20. Luz indicadora de sobrecarga. Figura 14. 4 Transformador Monofásico 161 FOTO REAL TRANSFORMADOR MONOFASICO MONTADO ES POSTE: Figura 14. 5 Transformador en Poste 162 2.6 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 6. BANCOS DE TRANSFORMADORES MONOFASICOS, CONEXIÓN DELTA –ESTRELLA, DELTA - DELTA Y ESTRELLA ABIERTO – DELTA ABIERTO. 2.6.1 OBJETIVOS. • Que el estudiante conozca los requisitos que los transformadores deben de cumplir para poder trabajar en una condición determinada. • Dar a conocer las ventajas y desventajas de cada una de las conexiones existentes para los transformadores. • Realizar una conexión estrella- estrella. • Determinar las relaciones de corriente y voltaje en el primario y secundario de transformador en la conexión estrella – estrella. 2.6.2 EXPOSICIÓN. En las industrias, como en las Empresas Eléctricas, con frecuencia es necesario conectar bancos de transformadores en paralelo. Tanto los transformadores monofásicos como los trifásicos vienen para distintas potencias, así también para los distintos voltajes a continuación se presenta una tabla con estas características: Tabla 2.25 Características 163 EXPLICACION DE LOS VOLTAJES NOMINALES DE UN TRANSFORMADOR: Tabla 2.26 Transformadores Monofásicos Símbolo Ejemplo de voltaje nominal E 34500 Devanado para conexión en Delta en un sistema de E voltios. 2400/4160Y Devanado para conexión en Delta en un sistema de E voltios o para conexión en Y en un sistema de E1 voltios. 38700/67000GrdY Devanado con aislamiento reducido para conexión en Y en un sistema de E1 voltios con el neutro del transformador conectado eficazmente o tierra o para conexión en Delta en un sistema de E voltios. 12470GrdY/7200 Devanado con aislamiento reducido en el extremos del neutro. El extremo del neutro puede conectarse directamente al tanque en sistemas monofásicos o en sistemas trifásicos en Y de E1 voltios con el neutro conectado eficazmente a tierra. E/E1Y EE1GrdY E1GrdYE Devanado característico Explicación También es conocido que para que ninguno de los componentes del nuevo banco se sobrecargue con su correspondiente calentamiento y envejecimiento prematuro, es conveniente seguir ciertos lineamientos con respecto de las características de cada transformador. A continuación enunciaremos todas las condiciones necesarias para que en el caso ideal, la conexión de los transformadores en paralelo sea satisfactoria. 164 CONDICIONES NECESARIAS IDEALES PARA LA CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES EN PARALELO. La regla clásica ideal para el paralelo de transformadores, es la de cumplir con los siguientes Requisitos: • Igual capacidad (con enfriamiento o sin enfriamiento) de devanados. • Igual impedancia (referida a la misma base de voltaje y capacidad). • Iguales voltajes lado alimentación y lado carga. • Igual relación de transformación en vacío. • Igual tipo de enfriamiento. • Diseño para igual altura de operación sobre el nivel del mar. • Que sean de la misma marca. • Igual lote de fabricación. • Igual tipo de aislamiento (igual temperatura de operación). • Similar tiempo de uso (si son usados). • Iguales niveles de impulso (NBI). • Igual frecuencia. • Igual rotación de fases. • Igual polaridad. • Igual desplazamiento angular. • Similar valor de Megaohms de sus aislamientos. • Similar factor de potencia de sus aislamientos. • Similar propiedad Físico-Química de aceites. • Similar valor de Hi-Pot de sus aislamientos. • Similar corriente de excitación. • Similar resistencia de núcleo aterrizado. • Similar corriente de excitación. De las características mencionadas anteriormente estudiaremos las más significativas: DESPLAZAMIENTO ANGULAR Es el ángulo de tiempo entre voltajes primarios y secundarios de referencia de un sistema trifásico. El ANSI establece que en un sistema delta-estrella (Alta y Baja Tensión) el sistema de alta tensión, está adelantado 30 grados con respecto al sistema de baja tensión. La medición de este ángulo, que es el desplazamiento angular, puede hacerse de dos maneras: • Se traza la recta que une la polaridad H1 de alta tensión con su neutro correspondiente y la recta que une la polaridad X1 (llamadas 165 líneas de angularidad primaria y secundaria).respectivamente, se unen las terminales H1 y X1 y se mide el ángulo formado por las líneas de angularidad en dicho vértice en el sentido contrario a las manecillas del reloj, partiendo de la línea de angularidad de baja tensión hasta la línea de alta tensión. En la Figura No. 14.6, se indica lo anterior para el caso de una conexión delta-estrella. • Tomando como base los voltajes de línea en alta y baja tensión y midiendo el ángulo en el vértice como en el caso anterior, en la dirección contraria a las manecillas del reloj, se tiene el devanado de alta tensión adelante en 30 grados con respecto al devanado de baja tensión. Figura 14. 6 Diferencia Angular CAPACIDAD E IMPEDANCIA Dos o más transformadores se pueden paralelar siempre y cuando sus impedancias sean inversamente proporcionales a sus capacidades y cuando la carga total a alimentar, no sobrepase la suma de los KVA en dicho acoplamiento, es decir sus impedancias deben de ser parecidas en un +/- 7.5 %. El tipo de conexión que se quiere realizar con los transformadores depende de 2 cosas principalmente: • Del voltaje de la red. • De los datos de placa del transformador. Estas dos condiciones nos darán la pauta para elegir el tipo de conexión adecuada para el correcto funcionamiento del banco de transformadores. PLACA DE UN TRANSFORMADOR Los transformadores siempre poseen una placa en donde tienen grabada toda su información técnica así como sus características eléctricas las cuales son importantes para realizar una conexión en paralelo. La placa de un transformador consta de las siguientes partes: • Potencia del transformador. • Voltaje primario. • Voltaje secundario en vacío. 166 • Taps para conexiones. • Frecuencia. • Impedancia. • Tipo de aceite refrigerante. Figura 14. 7 Placa de Transformador. Esta Práctica se realizará en tres partes: • Conexión DELTA – ESTRELLA. • Conexión DELTA – DELTA. • Conexión ESTRELLA ABIERTO- DELTA ABIERTO. 2.6.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • Indique en qué tipo de conexión en paralelo se utilizaría el transformador con las siguientes características: 167 Tabla 2.27 Características de Transformadores • Mencione 5 características que deben cumplir los transformadores entre sí, para que puedan conectarse en paralelo. • ¿Que sucedería si conecto en paralelo transformadores con un impedancia muy diferente entre sí? Explique. • ¿El transformador de la pregunta 1 se podría conectar en un sistema en estrella? o ¿Sí o no? Explique qué sucedería si se llegara a conectar. o ¿Cuáles son las características de placa de un transformador? 2.6.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS. • Transformadores de 10 KVA. • Clamper. • Alambre de cobre desnudo No. 4 para alimentación y conexión primaria. • Cable de cobre THHN No. 6 para conexión secundaria. • Multímetro. • Banco de capacitores. (Lab-Volt) • Banco de resistencias. (Lab-Volt) • Banco de inductores. (Lab-Volt) 2.6.5 PROCEDIMIENTO. Para la realización de esta práctica se utilizará una alimentación de 240 V, la cual será tomada de los enchufes del laboratorio. 168 • CONEXIÓN DELTA – ESTRELLA. Se tendrán 3 transformadores de 10 KVA cada uno respectivamente: Figura 14. 8 Transformador de 10 KVA Conecte el primario en Delta y el secundario en estrella de la siguiente manera: Figura 14. 9 Conexión Delta-Estrella 169 Aplicación práctica de esta conexión: Para suministro de energía a 120 y 208 V, en sistemas donde ambas tensiones pueden tomarse de cualquiera de las tres fases. Estas conexiones permiten distribuir cargas monofásicas entre las tres fases para equilibrar la carga total. Capacidad del banco: Cuando se utilizan transformadores de distinta capacidad, la capacidad máxima desde el punto de vista de seguridad del banco en sí, es tres veces la capacidad de la unidad menor, si se avería un transformador el banco queda fuera de servicio. Ahora proceda a medir en el secundario del transformador en cada uno de los siguientes casos y llene las tablas que se le presentan: • Datos en Vacío. • Datos con carga resistiva. Usar banco de resistencias de Lab-Volt a 300 ohmios. • Datos con carga capacitiva. Usar banco de capacitores de Lab-Volt a 300 Microfaradios. • Datos con carga Inductiva. Usar banco de inductores de Lab-Volt a 300 Henrios. Tabla 2.28 Mediciones Transformadores 170 • PROCEDIMIENTO CONEXIÓN DELTA – DELTA. Se tendrán 3 transformadores de 10 KVA cada uno: Figura 14. 10 Transformador de 10 KVA Conecte el primario y secundario en Delta, de la siguiente manera: Figura 14. 11 Conexión Delta- Delta 171 Aplicación práctica de esta conexión: Para suministro de energía trifásica con buen factor de utilización de los transformadores (A plena capacidad nominal disponible). No hay problema de sobre tensiones producidos por la tercera armónica o de interferencias telefónicas. En el caso de avería de una unidad, el banco puede quedar conectado en DELTA ABIERTO para servicios de emergencia en cuyo caso la capacidad del transformador se reducirá al 57.7 % de su capacidad nominal. Si se requiere conexión a tierra esta puede hacerse en el aislador X1 o en el X2. Precaución: Se producirán elevadas corrientes de circulación a menos que todas las unidades estén conectadas en la misma toma de regulación y tengan iguales relaciones de transformación. La capacidad del banco de transformadores se verá reducida a menos que se utilicen transformadores de la misma impedancia. Ahora proceda a medir en el secundario del transformador en cada uno de lo siguientes casos y llene las tablas que se le presentan: • Datos en Vacío. • Datos con carga resistiva. Usar banco de resistencias de Lab-Volt a 300 ohmios. • Datos con carga capacitiva. Usar banco de capacitores de Lab-Volt a 300 Microfaradios. • Datos con carga Inductiva. Usar banco de inductores de Lab-Volt a 300 Henrios. Tabla 2.29 Mediciones en Transformadores 172 PROCEDIMIENTO CONEXIÓN ESTRELLA ABIERTO – DELTA ABIERTO. Se tendrán 3 transformadores de 10 KVA cada uno respectivamente: Figura 14. 12 Transformador de 10 KVA Conecte el primario en estrella abierto y el secundario en delta abierto de la siguiente manera: 173 Figura 14. 13 Conexión Estrella Abierto-Delta Abierto Aplicación práctica de esta conexión: Para suministro de energía monofásica a 240 voltios y pequeños porcentajes de energía trifásica (por lo general se utilizan transformadores de distinta capacidad. Esta conexión se utiliza en casos de emergencia cuando se avería alguna unidad de un banco conectado en estrella – Delta con primario de 4 conductores. Si se precisa de conexión a tierra esto puede hacerse en el aislador X1 o X2. 174 Capacidad del banco: Esta conexión no es muy eficaz cuando predominan cargas trifásicas ya que la capacidad es solamente del 86.6 % correspondiente a dos unidades que forman el banco trifásico. La capacidad de este banco es solo el 57.7 % de la de un banco Delta – Delta cerrado de tres unidades. Ahora proceda a medir en el secundario del transformador, en cada uno de los siguientes casos y llene las tablas que se le presentan: • Datos en Vacio. • Datos con carga resistiva. Usar banco de resistencias de Lab-Volt a 300 ohmios. • Datos con carga capacitiva. Usar banco de capacitores de Lab-Volt a 300 Microfaradios. • Datos con carga Inductiva. Usar banco de inductores de Lab-Volt a 300 Henrios. Tabla 2.30 Mediciones 175 2.6.5 CUESTIONARIO. • ¿Existe desfase del ángulo (entre el voltaje y la corriente en el lado primario y secundario del transformador? • ¿Qué le sucede al voltaje del secundario del transformador cuando se le conecta carga capacitiva? • ¿Qué le sucede al voltaje del secundario del transformador cuando se le conecta carga inductiva? • ¿Qué sucedería en mi nivel de voltaje si conecto una carga capacitiva que compensara la carga inductiva conectada? • ¿Qué tipo de conexión se recomienda para distribuir cargas monofásicas entre las tres fases y así equilibrar la carga total? • Para suministro de energía trifásica con buen factor de utilización de los transformadores y a plena capacidad nominal disponible que conexión se recomienda. • Si en una conexión Delta –Delta un transformador sufre una avería ¿Con que capacidad queda trabajando el banco de transformadores? • ¿Cuál es la capacidad nominal de un banco de transformadores conectados en estrella abierto – delta abierto? 176 2.6.7 ANEXOS. BANCO TRIFASICO MONTADO EN POSTE: Figura 14. 14 Banco Trifásico Montado en Poste 177 2.7 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 7 TIPOS DE SUBESTACIONES, CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES, NORMAS DE SEGURIDAD Y DISEÑO. 2.7.1 OBJETIVOS. • Tener la capacidad de distinguir los distintos tipos de Subestaciones de acuerdo a la función que desarrollan. • Distinguir los distintos tipos de Subestaciones de acuerdo a la Potencia y Tensión que manejan. • Conocer las partes esenciales que conforman una subestación. • Conocer las normas de diseño de una subestación. • Conocer las normas de seguridad para la instalación de una Subestación. 2.7.2 EXPOSICIÓN Subestación (de una red eléctrica) Se puede definir como un conjunto de máquinas, aparatos y circuitos que tienen la función de modificar los parámetros de la potencia eléctrica (tensión y corriente) y de permitir el suministro de la misma al sistema y líneas de transmisión existentes. Se puede mencionar también que una parte de la red eléctrica, concentrada en un lugar dado; esta incluye principalmente los terminales de los dispositivos de control y maniobra; también incluyen las celdas de las líneas de transmisión o distribución; cabe mencionar que podría incluir transformadores. Las subestaciones se pueden denominar de acuerdo con el tipo de función que desarrollan, en tres grupos: • Subestaciones variadoras de tensión. Subestación Elevadora Subestación de transformación en la cual la potencia de salida de los transformadores está a una tensión más alta que la potencia de entrada. En el país debido a que se genera a 13.8 kV, es necesario elevar el voltaje para su distribución y transmisión, el nivel de voltaje más alto utilizado es 230 kV. Subestación Reductora Estación de transformación en la cual la potencia que sale de los transformadores tiene una tensión más baja que la potencia de entrada. 178 En estas subestaciones, los niveles de voltaje de transmisión se reducen a distribución o eventualmente a utilización. Estas son subestaciones que se encuentran en las redes de transmisión, subtransmisión o distribución y constituyen el mayor número de subestaciones en un sistema eléctrico. Figura 15. 1 Subestación. • Subestaciones de maniobra o seccionadoras de circuito. En estas subestaciones no se tiene transformadores de potencia, ya que no se requiere modificar el nivel de voltaje de las fuentes de alimentación y sólo se hacen operaciones de conexión y desconexión (maniobra o switcheo). • Subestaciones mixtas Mezcla de las dos anteriores. De acuerdo con la potencia y tensión que manejan las subestaciones se pueden agrupar en: • Subestaciones de transmisión. Arriba de 230 kV. • Subestaciones de subtransmisión. Entre 230 y 115kV. • Subestaciones de distribución primaria. Entre 115 y 23 kV. • Subestaciones de distribución secundaria. Debajo de 23 kV. De acuerdo con la tecnología se dividen en: • Subestaciones aisladas en aire • Subestaciones receptoras primarias. • Subestaciones receptoras secundarias. • Subestaciones tipo intemperie. 179 • Subestaciones tipo interior. • Subestaciones tipo blindado. • Subestaciones tipo rural. • Subestaciones en las plantas generadoras o centrales eléctricas DEFINICIONES DE ALGUNAS SUBESTACIONES Subestación de transformación. Subestación formada por transformadores de energía que interconectan dos o más redes de tensiones diferentes. Subestación Intermedia de transformación. Subestación de transformación ubicada en un tramo intermedio de una red (sistema), puede ser de transmisión o distribución. Subestación de distribución. Conjunto de instalaciones para transformación y/o seccionamiento de la energía eléctrica que la recibe de una red de distribución primaria y la entrega a una red de distribución secundaria, a las instalaciones de alumbrado público, a otra red de distribución primaria o a usuarios. Comprende generalmente el transformador de potencia y los equipos de maniobra, protección y control, tanto en el lado primario como en el secundario, y eventualmente edificaciones para albergarlos. Subestación convertidora. Subestación que incluye convertidores y cuya función principal es convertir la corriente alterna en corriente continua o viceversa. Subestación convertidora de frecuencia. Subestación que varía la frecuencia de una señal de corriente alterna. Subestación con personal de operación. Subestación que es operada localmente por personal que trabaja dentro de la subestación. Subestación sin personal de operación. Subestación operada por personal que no permanece en la subestación. Subestación con personal de turno permanente. Subestación que es continuamente controlada por personal que permanece en la subestación. 180 Subestación asistida. Subestación operada por personal durante las horas de trabajo normales y en horas fuera de trabajo tanto como sea necesario. Subestación tele controlada. Subestación sin personal de operación controlada mediante dispositivos de telecontrol. Subestación central de operación. Subestación con personal de operación desde donde se controlan las subestaciones controladas remotamente. Subestación satélite. Una de las subestaciones controladas remotamente por una subestación maestra. Subestación con un juego de barras. Subestación en la que las líneas y transformadores están conectados únicamente a una barra. Subestación con dos juegos de barras. Subestación cuyas líneas y transformadores están conectados vía dos barras por medio de selectores. Subestación con tres juegos de barras. Subestación en la que las líneas y transformadores están conectados vía tres barras por medio de selectores. Subestación con un juego de barras en anillo con seccionadores. Subestación de una sola barra en la que la barra tiene forma de una espira cerrada con únicamente seccionadores en serie dentro de la espira. Subestación con un juego de barras en anillo con interruptores automáticos. Subestación de una sola barra en la que la barra tiene forma de una espira cerrada con interruptores en serie dentro de la espira. Subestación con un juego de barras en anillo con cuatro aparatos de corte. Subestación con barras en anillo con un juego de barras de configuración cuadrada con un aparato de corte o un interruptor en cada lado. 181 Subestación con un juego de barras en anillo con tres aparatos de corte, con paso directo. Subestación con barras en anillo que generalmente tiene dos alimentadores y dos transformadores, el cuarto interruptor de la subestación con un juego de barras en anillo de cuatro aparatos de corte es reemplazado por un paso directo con uno o dos seccionadores (Ver Figura 15.2). Línea de Alimentación Línea de Alimentación I interruptor Cuchillas de Seccionador Figura 15. 2 Subestación con un juego de barras en anillo, con tres aparatos de corte y con paso directo. Subestación con un juego de barras en anillo con cuatro aparatos de corte y seccionadores de seccionamiento de barras. Subestación con barras de anillo en la que la barra comprende tanto interruptores como seccionadores (Ver Figura 15.3). Figura 15. 3 Subestación con un juego de barras en anillo, con cuatro aparatos de corte y seccionadores de seccionamiento de barras. 182 Esquema con dos interruptores por salida. Subestación con dos juegos de barras en la que los selectores son interruptores. Esquema con un interruptor y medio por salida. Subestación con dos juegos de barras donde, para dos circuitos se conectan tres interruptores en serie entre las dos barras, los circuitos se conectan a cada lado del interruptor central (ver Figura 15.4). Figura 15. 4 Esquema con un interruptor y medio por salida Disposición de fases asociadas. En una subestación, una disposición en el cual los conductores relacionados con las tres fases del mismo circuito se localizan lado a lado (Ver Figura 15.5). Figura 15. 5 Disposición de fases asociadas (1)(2): Barras A B C: Fases 183 Disposición de fases separadas En una subestación, una disposición en la cual los conductores de circuitos diferentes relacionados con la misma fase, se localizan lado a lado. (Ver Figura 15.6). Figura 15. 6 Disposición de fases separadas (1) (2): Barras A B C: Fases Disposición de fases mixtas En una subestación, una disposición en la que las barras están dispuestas como una disposición de fase separada pero que las celdas de los circuitos están dispuestas como una disposición de fase asociada. (Ver Figura 15.7). Figura 15. 7 Disposición de fases mixtas (1) (2): Barras A B C: Fases 184 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO Primero • Se deben establecer los objetivos primarios y secundarios para el proyecto del sistema eléctrico, a través de la consulta con ingenieros de proceso, operadores y personal de mantenimiento. Segundo • Se debe tener una buena comprensión del tipo de carga y su aplicación resulta fundamental para una buena planeación del sistema, se debe tomar también una información completa del comportamiento de la carga para determinar las necesidades de potencias real y reactiva. • Se debe hacer una revisión de las cargas y procesos y sus requerimientos de confiabilidad, basados en los aspectos económicos. • Se debe tomar nota de cargas especiales para cierto tipo de subestaciones eléctricas industriales, algunas de estas cargas son las siguientes: a) Arranque de grandes motores b) Hornos de arco c) Soldadura de resistencia d) Convertidores estáticos de VAR e) Cargas electrónicas sensibles f) Alto nivel de ruido g) Cargas con corrientes armónicas h) Coordinación de la energía eléctrica con otros sistemas de energía. Tercero • Se determina la carga total, factor de carga y de demanda, cuya definición es la siguiente: a) Carga pico b) Carga promedio c) Carga conectada d) Demanda e) Demanda Máxima f) Demanda Coincidente Cuarto • Se deben considerar las necesidades futuras para el sistema para los próximos 5, 10 y hasta 20 años, tomando en consideración no sólo crecimiento de la demanda, sino también posibles cambios en los procesos y la incorporación de accionamientos electrónicos para máquinas eléctricas. 185 Quinto • En particular para las subestaciones o sistemas eléctricos industriales, se debe tomar en cuenta, en ciertos casos, la posibilidad de cogeneración, si existen proyectos de autoabastecimiento o de compra de mayor cantidad de energía a una tarifa diferente. La generación local generalmente incrementa la confiabilidad del sistema eléctrico para cargas locales. CRITERIOS DE DISEÑO Se requiere de un criterio uniforme o estándar para los propósitos de selección del sistema o equipos, así como para comparar distintas alternativas de un proyecto. Una vez que los requerimientos de la carga se han establecido, es necesario algún criterio básico para que se seleccione un sistema de distribución apropiado; la comparación entre distintos sistemas de distribución, se debe hacer sobre bases comunes, algunas de estas consideraciones básicas son las siguientes: • Seguridad • Confiabilidad • Simplicidad de operación • Calidad de voltaje • Mantenimiento • Flexibilidad • Costo ASPECTOS DE DISEÑO Hay seis aspectos principales que deben ser considerados en el diseño de los sistemas eléctricos de potencia, que son: • La selección del nivel de tensión • El conocimiento del nivel del cortocircuito • La forma de aislar las fallas a tierra • La liberación rápida de fallas • La operación selectiva de la protección • La prevención de la operación con fallas monofásicas El DIAGRAMA UNIFILAR Uno de los aspectos fundamentales del diseño conceptual o ingeniería básica es la preparación de un diagrama unifilar preliminar, que se usa durante la fase de estudio e incluye los principales componentes del sistema. Normalmente, no se incluyen los detalles que se van adicionando 186 durante la fase del diseño detallado de un proyecto, es decir, se incluyen transformadores de potencia, interruptores, cuchillas desconectadoras, cables, buses o barras, transformadores de instrumento, apartarrayos, etc. También se puede incorporar la parte de la red asociada a los datos en el punto de conexión con la compañía suministradora, así como los niveles mínimo y máximo de cortocircuito. El diagrama unifilar se usará para las especificaciones, detalles de instalación, pruebas de equipo y sistema. Un diagrama Unifilar completo, debe incluir lo siguiente: • Fuentes de alimentación o puntos de conexión a la red, incluyendo valores de voltajes y de cortocircuito. • Generadores (en su caso), incluyendo su potencial en KVA o MVA, voltaje, impedancias (síncrona, transitoria, subtransitoria, secuencia negativa y secuencia cero) y método de conexión a tierra. • Tamaño y tipo de todos los conductores, cables barras y líneas aéreas. • Tamaño de transformadores, voltajes, impedancias, conexiones y métodos de conexión a tierra. • Dispositivos de protección (fusibles, relevadores, interruptores). • Transformadores de instrumento (potencial y corriente). • Apartarrayos y bancos de capacitares. • Capacitares para mejoría del factor de potencia. • Identificación de cargas (en su caso), incluyendo grandes motores eléctricos e impedancias. • Tipos de relevadores. • Ampliaciones futuras. La cantidad de detalle en un diagrama unifilar está determinada por su uso relativo, el diagrama unifilar conceptual no debe contemplar toda la información descrita anteriormente. 187 La simbología usada en los diagramas unifilares es la que se indica en la tabla siguiente: Figura 15. 8 Simbología Diagramas Unifilares. 188 SEGURIDAD La seguridad es una consideración panorámica durante la fase de diseño de detalle, si no se pone suficiente atención a los aspectos de seguridad, entonces el personal puede ser puesto en riesgo durante la operación y mantenimiento del sistema, puede ocurrir también una falla catastrófica del equipo y una falla en el suministro de la energía, por lo que se deben seguir estrictamente todos los requerimientos de las normas y códigos; adicionalmente, algunas de las consideraciones básicas que permiten la seguridad son las siguientes: • Verificar la adecuada capacidad de los interruptores y dispositivos de desconexión. • Los conductores energizados debes estar dentro de canalizaciones (ductos, tubos, conduits, bandejas), o bien, colocados correctamente y a suficiente altura. • Se deben bloquear convenientemente los desconectadores sin carga con los interruptores. • Se debe mantener desenergizado sólo el equipo que tiene tarjetas de seguridad o candados. • Minimizar el acceso a los cuartos con equipo eléctrico y tener las salidas adecuadas. • Proteger todos los aparatos eléctricos de posible daño mecánico, dejar las áreas accesibles sólo para operación y mantenimiento. • Considerar las áreas peligrosas. En caso necesario usar equipo a prueba de explosión. • Colocar señales y letreros de alerta en bardas, compuertas, puertas y conduits. • Usar una conexión a tierra adecuada para el sistema eléctrico de potencia y para el equipo. • Instalar alumbrado de emergencia para señalizar las salidas. • Proporcionar las capacidades correctas para el equipo. • Entrenar y capacitar al personal de operación y mantenimiento. 2.7.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS • Cuáles son los Niveles típicos de voltaje (trifásicos) en sistemas eléctricos de potencia en nuestro país. Colocar en el siguiente cuadro dichos voltajes y su voltaje de utilización. Tabla 2.31 Voltajes Medidos. Transmisión Subtransmisión Distribución 189 Utilización • Se tiene un transformador de distribución, que en condiciones normales de operación alimenta las siguientes cargas: Tabla 2.32 Condiciones Normales de Operación Carga Demanda KVA Carga Conectada KVA A 9 15 B 14 20 C 8 12 D 22 25 Se desea calcular lo siguiente: • El factor de demanda para cada carga. • Suponiendo un factor de demanda global para las cuatro cargas de 0.70, estimar la demanda pico en el transformador. • El factor de diversidad para las cuatro cargas. • El factor de coincidencia para las cuatro cargas juntas. 2.7.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDO • Tablas de Simbología para diseño de Instalaciones Eléctricas. • Amperímetro. • 1 Voltímetro. • 1 Wattímetro (LAB-Volt). • 1 Clamper. • 1 Tenaza punta plana. • 1 Tenaza punta redonda. • 1 Desarmador punta plana. • 1 Desarmador punta estrella. • Pararrayos tipo distribución 10 kV • Cortacircuito 15 Kv, 6 A • Fusibles tipo “T” S/R • 1 Fuente de Voltaje AC 120/240 V • Aisladores de Espiga 13.2 Kv clase ANSI 52-1 • Conectores de Compresión S/R • Alambre de cobre número 4 desnudo • Cable de control • 7 conductores, número 12 190 2.7.5 PROCEDIMIENTO Parte A • En esta parte el instructor en conjunto con el catedrático de la materia, dará al grupo de estudiantes de ingeniería eléctrica un recorrido por la universidad mostrándoles dos tipos de subestaciones. Cada estudiante clasificará el tipo de subestaciones visitadas, y tomará notas importantes acerca de los elementos que posee, revisará las capacidades de los transformadores y conexiones. Además otras características elementales como el ambiente en que se encuentren. • El estudiante debe dibujar el diagrama unifilar de una de las subestaciones visitadas y para ello el instructor designará la subestación que corresponda a cada grupo. Parte B • En esta parte los estudiantes deben discutir los resultados de sus respectivos diagramas y deben identificar cada una de las partes con los elementos que se tengan en el laboratorio. Nota: sería de gran ayuda referenciarse en guías anteriores para reforzar los conocimientos teóricos. • Se procederá a realizar las conexiones con la tutoría estricta del instructor y tomando las medidas de seguridad correspondientes. (Releer la parte de seguridad que contiene esta guía; además tomar en cuenta la guía 1 “Normas de Seguridad en sistemas de distribución de energía”). En esta parte el instructor debe prestar las herramientas necesarias para hacer las conexiones, así como facilitar los elementos que formarán parte de la subestación. El estudiante debe tomar en cuenta que todo el equipo debe estar desenergizado a la hora de realizar las conexiones y por ningún motivo debe nadie (ni el instructor) energizar antes de hacer todas las observaciones y correcciones correspondientes. Cualquier paso inadecuado a la hora de la instalación de una subestación puede ser fatal. • El instructor debe revisar las conexiones y hacer las correcciones correspondientes (si las hay). Aún no se debe energizar ningún equipo. Parte C • El instructor explicará los voltajes a utilizarse en el laboratorio (208/120 V) e indicará los puntos de alimentación que existen en dicho lugar y los puntos de conexión adecuados para la alimentación correcta de la subestación para esta práctica; tomando en cuenta que se trata de una simulación en baja tensión y que es de alto riesgo energizar incorrectamente. 191 Parte D • El estudiante debe tomar las mediciones correspondientes de corriente, voltaje y potencia que está entregando esta subestación; para ello tiene que utilizar los equipos que el instructor pondrá a su disposición. 2.7.6 CUESTIONARIO • Muestren los datos obtenidos en la medición de la parte 4 del Procedimiento. • ¿Qué pasa si en lugar de alimentar la subestación en el lado primario, la alimentamos en el lado secundario?. Calcula los valores que se obtendrían al hacer esta alimentación y menciona si tú harías esta conexión. ¿Por qué? (No realizar ninguna conexión, recordar que esta parte es de resolución teórica). • Elija cualquier tipo de subestación y analice cuales son los voltajes que entrega a la carga. • Investiga si en el Salvador se siguen las normas de seguridad correspondientes para las maniobras de subestaciones. • ¿De quién depende el mantenimiento de una subestación, de la distribuidora o de la empresa que la utiliza? 192 2.7.7- ANEXOS Diagramas unifilares de subestaciones típicas de nuestro país. Figura 15. 9 Subestación Típica Rural 193 Figura 15. 10 Subestación de Potencia 194 Figura 15. 11 Subestación de Potencia Montserrat. Figura 15. 12 Subestación de Potencia Montserrat. 195 196 CAPITULO 3: EQUIPOS Y DISPOSITIVOS INDUSTRIALES 3.1 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 1. NORMAS DE SEGURIDAD EN SUBESTACIONES INDUSTRIALES. 3.1.1 OBJETIVOS • Conocer las distintas normas de seguridad que deben seguirse a la hora de instalar equipos o diferentes dispositivos dentro de una instalación eléctrica cualquiera. • Saber bajo que norma deben instalarse equipos y dispositivos para cumplir con todos los requerimientos técnicos y para el correcto funcionamiento de éstos. 3.1.2 EXPOSICION A ESTUDIANTES, INSTRUCTORES Y MAESTROS: Cuando se está trabajando con electricidad o equipos mecánicos se deben seguir ciertas normas para no poner en riesgo nuestra seguridad y la de las personas que nos rodean y colaboran con la labor que se está realizando. Antes que nada se debe contar con un BOTIQUIN DE PRIMEROS AUXILIOS y absolutamente todos los usuarios de ese laboratorio deben conocer el lugar en que se encuentra. Se debe insistir a los estudiantes en que cualquier situación anómala que se presente en sus prácticas y que pueda poner en riesgo el bienestar del grupo sea notificado con prontitud al maestro o instructor, ya que el está capacitado para dar una solución que garantice el buen funcionamiento del equipo y la seguridad física y psicológica de los estudiantes. Disposiciones generales. La presente guía de Laboratorio, en la cual nos referimos al reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de seguridad en subestaciones eléctricas industriales, tiene por objeto establecer las condiciones y garantías técnicas a que han de someterse las instalaciones eléctricas de más de 1000 voltios para: • Proteger las personas y la integridad y funcionalidad de los bienes que pueden resultar afectados por las mismas instalaciones. • Conseguir la necesaria regularidad en los suministros de energía eléctrica. • Establecer la normalización precisa para reducir la extensa tipificación que existe en la fabricación de material eléctrico. • La óptima utilización de las inversiones, a fin de facilitar, desde el proyecto de las instalaciones, la posibilidad de adaptarlas a futuros aumentos de carga racionalmente previsibles. 197 Estas normas y prescripciones técnicas se aplican para las instalaciones de corriente alterna, cuya tensión nominal eficaz sea superior a un kV., entre dos conductores cualesquiera, con frecuencia de servicio inferiores a 100 Hz. Se incluyen todas las instalaciones eléctricas de conjuntos o sistemas de elementos, componentes, estructuras, aparatos, máquinas y circuitos de trabajo entre límites de tensión y frecuencia especificados en el párrafo anterior, que se utilicen para la producción y transformación de la energía eléctrica o para la realización de cualquier otra transformación energética con intervención de la energía eléctrica. Clasificación de las instalaciones. Las instalaciones eléctricas incluidas dentro de esta normativa, se clasificarán en las categorías siguientes: • Primera Categoría: las de tensión nominal superior a 66 kV. • Segunda Categoría: las de tensión nominal igual o inferior a 66 kV y superior a 30 kV. • Tercera Categoría: las de tensión nominal igual o inferior a 30 kV y superior a 1 kV. Si en la instalación existen circuitos o elementos en los que se utilicen distintas tensiones, el conjunto del sistema se clasificará, a efectos administrativos, en el grupo correspondiente al valor de la tensión nominal más elevada. Compatibilidad con otras instalaciones. Toda instalación de más de 1 kV debe estar dotada de los elementos necesarios y con el calibrado y regulación conveniente para que su explotación e incidencias no produzca perturbaciones anormales en el funcionamiento de instalaciones ajenas. Los sobredimencionamientos y modificaciones impuestos a una parte para corregir este tipo de problemas, como consecuencia de cambios realizados por propietarios de otras instalaciones serán costeados por el causante de la perturbación. Las instalaciones de más de 1 kV, cuyo funcionamiento produzca, o pueda producir, perturbaciones en el funcionamiento de sistemas de comunicaciones, señalización, control, transmisión de datos o similares, deberán de estar dotadas de los dispositivos correctores que, en cada caso, se preceptúe. Normas. Los materiales, aparatos, máquinas, conjuntos y subconjuntos, integrados en los circuitos de las instalaciones eléctricas de más de 1 kV, a las que nos referimos en este manual de Laboratorio, cumplirán las normas, especificaciones técnicas y homologaciones que les sean de aplicación y 198 que se establezcan como de obligado cumplimiento. Cuando no esté declarado de obligado cumplimiento, el proyectista propondrá y justificará las normas o especificaciones cuya aplicación considere más idónea para las partes fundamentales de la instalación de que se trate. En aquellos casos en los que la aplicación estricta de las normas reglamentarias no permita una solución óptima a un problema o se prevea utilizar otros sistemas, el proyectista de la instalación deberá justificar las variaciones necesarias. Las empresas suministradoras de energía eléctrica podrán proponer especificaciones que fijen las condiciones técnicas que deban reunir aquellas partes de instalaciones de los consumidores que tengan incidencia apreciable en la seguridad, funcionamiento y homogeneidad de su sistema. Identificación, marcas y homologación. Los materiales y elementos utilizados en la construcción, montaje, reparación o reformas importantes de las instalaciones eléctricas de más de 1 kV, deberán de estar señalizados con la información que determine la norma u homologación de aplicación correspondiente. Para garantía del adecuado nivel de calidad de los elementos componentes de las instalaciones eléctricas de más de 1 kV, sometidas a este reglamento, toda entidad y Organización que tenga establecida una marca o distintivo de calidad para materiales, elementos o equipos utilizados en estas instalaciones, podrán solicitar a las autoridades correspondientes su reconocimiento y aprobación. Mantenimiento de las instalaciones. Los propietarios de las instalaciones, incluidas en el presente reglamento, deberán presentar, antes de su puesta en marcha, un contrato, suscrito con persona física o jurídica competente en el que éstas se hagan responsables de mantener las instalaciones en el debido estado de conservación y funcionamiento. Si el propietario de la instalación, a juicio del Órgano competente, dispone de los medios y organización necesarios para efectuar su propio mantenimiento, podrá eximírsele de la obligación de presentar dicho contrato. Interrupción y alteración del servicio. En los casos o circunstancias en que se observe inminente peligro para las personas o cosas, se deberá interrumpir el funcionamiento de la instalación. En situación de emergencia, un Técnico titular competente, con la autorización de la empresa propietaria de la instalación, podrá adoptar las medidas provisionales que resulten aconsejables, dando cuenta inmediatamente al Órgano competente de la Administración, que fijará el plazo para restablecer las condiciones reglamentarias. 199 Los casos de accidente o de interrupción del servicio público se comunicarán inmediatamente al Órgano competente de la Administración. Infracciones y Sanciones. La infracción de los preceptores del presente reglamento y sus instrucciones técnicas complementarias se sancionará de acuerdo con lo establecido en la legislación vigente. En el ámbito de sus respectivas intervenciones podrán estar incursos en las responsabilidades a que se refiere el párrafo anterior: el autor del proyecto, el fabricante o importador del material, el instalador, el técnico que certificó la adaptación de la obra al proyecto y el cumplimiento de las condiciones técnicas y reglamentarias a efectos de la puesta en marcha, el encargado del mantenimiento de las instalaciones, la entidad colaboradora que haya efectuado los reconocimientos periódicos, las empresas suministradoras y los usuarios. Disposición transitoria. Las instalaciones existentes a la fecha de la entrada en vigor del presente reglamento e instrucciones técnicas complementarias, seguirán sometidas a las prescripciones reglamentarias vigentes en la fecha de su instalación, pero habrán de ajustarse a las condiciones y prescripciones técnicas de la nueva normativa en los supuestos de ampliación importante, o cuando su estado general, situación o características impliquen riesgo grave a personas o bienes, o produzcan perturbaciones inaceptables en el normal funcionamiento de otras instalaciones. Las revisiones periódicas de todas las instalaciones existentes se llevarán a efecto en el plazo y en la forma establecida por el presente reglamento e instrucciones técnicas complementarias. No obstante lo dispuesto en el primer párrafo de esta disposición, por razones de seguridad podrá establecerse en las instrucciones técnicas complementarias del presente reglamento, la necesaria readaptación de instalaciones ya existentes a las prescripciones de la instrucción técnica complementaria de que se trate. 3.1.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • Mencione las disposiciones generales sobre seguridad a la hora de trabajar dentro de una subestación eléctrica. • Mencione las tres categorías en que se clasifican las instalaciones. • De acuerdo a sus respectivas intervenciones en la ejecución de una obra. ¿Sobre quienes podría recaer la responsabilidad si ocurriera una falla? 200 3.1.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS • Laboratorio de Sistemas de Distribución de Energía. • Equipo adecuado para medición de resistencia. • Barra de tierra. • Apartarrayos. • Cortacircuitos. • Parafina (lubricante). • Fusibles. PRECAUCIÓN. Existe el peligro potencial de choque eléctrico o quemaduras severas cuando se trabaja con equipos eléctricos. La subestación debe estar desenergizada antes de trabajar dentro de la misma. 3.1.5 PROCEDIMIENTO Para esta práctica hacer uso de la subestación eléctrica perteneciente al Laboratorio de Sistemas de Distribución de Energía. PRUEBAS DE PUESTA EN SERVICIO DE UNA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA INDUSTRIAL. • Prueba de resistencia de aislamiento a la subestación. Una vez instalada la subestación y antes de conectarla a la red de suministros de alta tensión, verificar la rigidez de aislamiento de la misma en todos sus componentes. PASOS • Utilizando un equipo de medición de resistencia, medir la resistencia de aislamiento de las barras principales a tierra y anotar en sus apuntes el valor obtenido. • Repetir el procedimiento anterior en los apartarrayos. • Desconectador de operación con carga usando porta fusible. Operación: • Restablecer el movimiento completo de la posición 1 hasta 2, mediante el cual se carga el resorte del mecanismo de apertura de energía almacenada. • Movimiento completo de la posición 2 hasta 1, mediante el cual se cierra el desconectador. • Movimiento parcial desde la posición 1 en dirección a 2, mediante el cual se abre el desconectador. • Una vez en posición abierta, el mecanismo retorna a 1. 201 Disposición izquierda-derecha Disposición derecha-izquierda Figura 16. 1 Desconectador de Operación. Pasos de Verificación Previa: • Efectúe varias operaciones del Desconectador a través del mecanismo operador. • Al hacerlo, verifique que el limitador localizado en el extremo de la flecha, llegue a sus posiciones finales, tanto al abrir como al cerrar el desconectador. • Cerciórese presionando con ayuda de una pértiga o la mano, de que en la posición cerrado, los ganchos de arqueo entraron hasta su tope en la cámara de extinción del arco. • Verifique que las cámaras de extinción estén alineadas entre si y con respecto a los ganchos de arqueo. • Verifique que las barras o cables conectados a las terminales del desconectador no ejerzan o apliquen fuerza, ya que esto podría provocar que se desalineen las cámaras con respecto a los ganchos, o bien desajustes que entorpezcan el buen funcionamiento del equipo. • Compruebe que los fusibles estén en buen estado, que sean de la corriente y tensión nominal adecuada y que estén firmemente colocados. • No opere el desconectador sin haber aplicado antes parafina como lubricante sobre las superficies de contacto. Nunca utilice grasa orgánica, aceite o algún tipo de lubricante industrial. 202 SIEMPRE REALICE LAS OPERACIONES CON UN MOVIMIENTO FRANCO Y DECIDIDO. NUNCA INTERRUMPA UN MOVIMIENTO YA INICIADO. • Cambio de fusibles. En este caso se debe realizar la siguiente operación: • Desconectar la cuchilla de servicio comprobando anticipadamente que el interruptor quedó desconectado al fundirse algún fusible (caso real de fusible dañado). • Abrir la puerta del gabinete del interruptor y dejarla abierta por espacio de 15 a 20 segundos antes de realizar algún trabajo dentro de este tiempo (tiempo para desionizar el medio). • En caso de que haya conectados o no cables de energía, es necesario descargar a tierra y entre fases los circuitos del lado de carga del interruptor, para eliminar la capacitancia que podría estar presente, en los cables mencionados o en el devanado primario del transformador. • Antes de instalar el nuevo fusible es recomendable investigar la causa de la falla y corregirse. (caso real de falla). • Una vez montado el fusible, se procederá a cerrar las puertas y realizar los pasos para conexión del equipo. 3.1.6 CUESTIONARIO. • ¿Por qué razón debe de verificarse la rigidez del aislamiento en los componentes de una subestación? • ¿Qué es la cámara de extinción de arco? • Investigue que podría suceder si utiliza grasa orgánica como lubricante en las superficies de contacto del desconectador. • Explique que podría suceder si interrumpe un movimiento ya iniciado cuando está trabajando con equipos eléctricos de contacto y/o cierre. • ¿Qué podría suceder si no espera que se desionice el medio para trabajar en un cortacircuito? 203 3.1.7 ANEXOS SEGURIDAD EN SUBESTACIONES ELECTRICAS INDUSTRIALES. Figura 16. 2 Seguridad Personal Figura 16. 3 Señalización de Riesgo 204 3.2 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 2 REDES DE TIERRA. 3.2.1 OBJETIVOS • Entender en qué consiste la red de tierra de un sistema eléctrico. • Calcular teóricamente la red de tierra de un sistema eléctrico; cada una de sus partes desde la barras hasta el calibre de conductor que se utilizara para unirlas entre si. • Conocer los distintos tipos de redes de tierra así como también su aplicación especifica dependiendo del tipo de dispositivo a conectar en el sistema. • Conocer cuál es el objetivo principal de la realización de la red de tierra y que ocurriría si no se cuenta con una. • Conocer los factores que afectan el buen desempeño de la red de tierra y además conocer los métodos para contrarrestar estos factores. 3.2.2 EXPOSICION La masa conductora de la tierra constituye un potencial eléctrico de referencia único. Bajo este concepto puede definirse una toma, como aquella constituida por un electrodo conductor o conjunto de ellos interconectados, que aseguren una conexión eléctrica, formando una red. Las placas de tierra que sirven para interconectar a los equipos y los cables que vinculan estas placas con las tomas deben ser consideradas como parte de la red. Su función es garantizar: • La seguridad de las personas. • Un potencial de referencia único a todos los elementos de la instalación. De esta manera se logrará la protección adecuada y el buen funcionamiento de los equipos. • El camino a tierra de las corrientes de falla. Para cumplir con los objetivos arriba mencionados, una instalación debe contar con dos características fundamentales: • Una red de tierra única y equipotencial. • Un bajo valor de impedancia. Si partimos de la premisa que una red de tierra es la encargada de derivar la energía del rayo a la masa conductora de referencia, la misma será más efectiva, cuanto menor sea la impedancia que presente en su unión eléctrica. Esta característica dependerá de la resistividad del terreno, de su ionización y de la geometría de los conductores de tierra. 205 La resistividad del terreno es variable de un terreno a otro, depende de su contenido de humedad y de su temperatura, pudiendo variar la impedancia de tierra medida en distintos lugares del mismo terreno, como así también hacerla variar con el transcurso del tiempo. Un terreno es frecuentemente heterogéneo, tanto horizontal como verticalmente. La resistividad de las capas superficiales presenta importantes variaciones estacionales bajo el efecto de la humedad (disminuyéndola) y de las sequías (aumentándola). Esta acción se puede producir hasta profundidades de aproximadamente 1 a 2 metros. Otro elemento determinante en la constitución del terreno, es su granulación y su porosidad, que determina su poder de retener humedad y por lo tanto su calidad de contacto con los electrodos de tierra. Es por ello, que terrenos de granos gruesos, pedregosos son malos para conseguir buenos valores de impedancia de tierra. En algunos casos, puede pensarse en agregar productos químicos, con el objetivo de mejorar la conductividad del terreno. No deberá perderse de vista que esta solución es transitoria, ya que estos productos deberán mantenerse en buen estado e incluso renovarlos para mantener una elevada conductividad. Por eso no se recomienda la utilización de estos productos. Por lo dicho, para poder dimensionar un sistema de puesta a tierra, deberá conocerse el valor de resistividad del terreno, su configuración y la disposición geométrica en que podrán tenderse los conductores de tierra. Con este valor de resistividad, podrán utilizarse ecuaciones y tablas que nos permitirán conocer con cierta aproximación el valor de resistencia de tierra a obtener. Todo lo expresado, lleva a pensar que no en todos los terrenos podrá conseguirse un bajo valor de resistencia de tierra, y no deberá caerse en el error de intentar lograrlo en terrenos de muy alta resistividad. Tal es el caso de zonas montañosas, en donde resulta inútil e ineficaz plantear una red de tierra convencional. No solo por su imposibilidad de realizar excavaciones, sino por la pérdida de efectividad. El sistema de puesta a tierra diseñado debe ser previsto para lograr una resistencia de difusión al suelo, igual o inferior a 5 ohms en terrenos con resistividades de hasta 100 ohm-metro. De tal manera queda establecido en ese valor (5 ohms) como el límite de aceptabilidad de la resistencia a tierra que deberá medirse en suelos que no superen dicha resistividad, mediante el uso de un telurímetro conectado al sistema de puesta a tierra de la estación de radioenlace. 206 En aquellos terrenos que excedan el valor indicado de resistencia específica de 100 ohm-metro, podrá admitirse un aumento de la resistencia de difusión a tierra proporcional al incremento de la resistividad, en relación con el valor referencial de 100 ohm-metro. Para un suelo de resistividad de 250 ohm-metro, el cálculo a realizar será: 250ohm ⋅ metro × 5ohm = 12.5ohm 100ohm ⋅ metro Ec. (1.18) Este valor será el máximo aceptable en este tipo de terreno. De cualquier forma, esta resistividad varía con la humedad, con la temperatura, estratos y diferentes estaciones del año, por lo cual lo mejor es registrar la fecha en que son tomadas las medidas para volver a repetirlas (para fines de mantenimiento) en la misma época del año. Método sencillo para determinar la resistividad del suelo: • Se introducen superficialmente cuatro electrodos con la misma separación, la profundidad de penetración debe ser menor que el espacio entre los electrodos. • Se aplica una corriente conocida entre los dos electrodos exteriores y se mide el potencial entre el par interior. Figura 17. 1 Medición de Tierras 207 Red de tierra de un edificio. La regla básica con la que se plantea la red de tierra, es la utilización de un anillo perimetral de tierra, integrando a éste electrodos. Si bien técnicamente es ideal el trazado de un anillo perimetral, rodeando exteriormente al edificio a proteger, no siempre es posible por las características o disposición de algunas edificaciones. El anillo perimetral estará formado por un conductor de cobre desnudo de 50 mm2 de sección, debiendo rodear perimetralmente al edificio. Este conductor enterrado deberá ser continúo, sin ningún tipo de empalme (salvo en las cámaras de inspección) y con entradas directas a la placa de tierra interna del edificio. De ser posible el anillo perimetral estará enterrado a una profundidad de 0.60 a 0.80 metros formando un anillo cerrado instalado a 1 metro, de las paredes laterales del edificio. El anillo perimetral no debe presentar ninguna discontinuidad y al edificio se ingresa por medio de los extremos del mismo llegando a la placa de tierra por conductos separados. Integradas al anillo perimetral enterrado y por medio de soldadura cuproaluminotérmica, De ser posible, deberá colocarse en cada punto de cambio de dirección o de interconexión del anillo perimetral una barra de tierra. Esto se debe a que frente al escarpado pulso del rayo cada interconexión o cambio de dirección vertical u horizontal del anillo perimetral, representa un incremento de impedancia, que se traduce en un incremento de tensión. METODOS PARA REDUCIR LA RESISTIVIDAD DE LA TIERRA. MATERIAL DE REFUERZO DE TIERRA Inventado en 1992, el material de refuerzo de tierra GEM es un material conductor de gran calidad que resuelve los problemas más complicados de puesta a tierra. El material es ideal para usarse en áreas de baja conductividad, tales como suelo rocoso, cimas de montañas y suelo arenoso, así como también en lugares en donde no se pueden enterrar varillas a tierra o donde las limitaciones de la superficie del suelo dificultan la puesta a tierra adecuada mediante métodos convencionales. Las ventajas del GEM se traducen en la mejor relación costo-eficiencia. Algunas de estas razones son: • Reduce la resistencia a tierra • Tras la curación del material, mantiene una resistencia constante durante toda la vida útil del sistema • Mejora la puesta a tierra en todos los suelos, incluso durante períodos secos 208 • No se disuelve ni descompone con el paso del tiempo • La congelación aumenta su resistividad en menos de un 10% • No requiere tratamientos periódicos de carga ni reemplazos • No requiere mantenimiento • No depende de la presencia continua de agua para mantener su conductividad • No afecta adversamente al suelo • No contamina las aguas subterráneas • Cumple con todos los requisitos del organismo de protección ambiental EPA(Environmental Protection Agency) sobre vertederos • Puede instalarse ya sea húmedo o seco • Puede mezclarse fácilmente como lechada • Cuando se aplica en seco, absorbe rápidamente la humedad del suelo para curarse en forma sólida • Puede reducir el tamaño del sistema de puesta a tierra donde los métodos tradicionales usados son insatisfactorios Figura 17. 2 Material para Tratado de Tierras 3.2.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • ¿Qué es una red de tierra? • ¿Cuáles son las partes que componen a una red de tierra? 209 • ¿Cuál es el calibre mínimo permitido para la unión de las barras entre si de un sistema de tierra? • ¿Qué tipo de soldadura se utiliza entre las barras y el conductor de unión? • ¿Cuál es valor máximo permitido de la impedancia de la red de tierra para el correcto funcionamiento de la misma? 3.2.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS. • Barras copperweld. • Kit de soldadura Cad Weld. (Soldadura cuproaluminotérmica). • Conductor de cobre solido. (Calibre 4 como mínimo) • Material de refuerzo de tierra. (GEM) 3.2.5 PROCEDIMIENTO. Esta práctica de laboratorio consistirá en un recorrido por la universidad en el cual los alumnos de la materia de Equipos y Dispositivos Industriales podrán ver las diferentes redes de tierra que se encuentran conectadas en las bases de los edificios“ D “, específicamente en su parte central. Deberán de observar los siguientes puntos en cada red de tierra: • El tipo de soldadura entre las barras y el conductor de unión. • El grosor de las barras de tierra. • El calibre del conductor que está uniendo las barras. • La cantidad de barras utilizadas en dicha red. • El tipo de enmallado que se ha utilizado. Después de haber hecho el recorrido por la universidad y haber visto las redes de tierra los alumnos irán a su respectivo laboratorio y verificarán si las redes de tierra vistas están construidas de acuerdo a las normas requeridas; si no es así deben hacer un rediseño, evaluado por el instructor. 3.2.6 CUESTIONARIO. • ¿Cuántas redes de tierra se encontraron en el recorrido? • ¿En qué parte de la estructura estaban colocadas las redes de tierra? • ¿Era el tipo de red de tierra adecuado para el sitio? • ¿Cumplían las redes de tierra con las especificaciones necesarias para la construcción? • ¿En qué parte del edificio sería el lugar más adecuado para colocar las redes tierra? • ¿Por qué es necesario que todas las redes de tierra estén unidas entre si? • ¿Qué sucedería si no estuvieran unidas? Explique. 210 3.2.7 ANEXOS. Tabla 3.1 Valores de Resistividad TABLA CON VALORES DE RESISTIVIDAD DE DISTINTOS TERRENOS. MATERIALES RESISTIVIDAD EN OHM · METRO Sal gema 1013 Cuarzo 109 Arenisca, guijarros de río, piedra triturada 107 Granitos compactos 106 - 107 Rocas compactas, cemento ordinario, 106 esquistos Carbón 105 - 106 Rocas madres, basaltos, diabases, 104 cascajos y granitos antiguos (secos) 5 x 103 Guijarros de río y cascajo piedra triturada húmedos Terrenos rocosos, calizos (jurásico) secos 3 x 103 Granitos antiguos (húmedos) 1,5 a 2 x 103 Yeso seco 103 Arena fina y guijarros (secos) 103 Grava y arena gruesa (seca) 102 - 103 Arena arcillosa, grava y arena gruesa 5 x 102 húmeda Suelos calcáreos y rocas aluvionarias 3 a 4 x 102 Tierra arenosa con humedad 2 x 102 211 Barro arenoso 1,5 x 102 Margas turbas, humus muy secos 102 Margas y humus secos 50 Arcillas (secas) 30 Margas, arcillas y humus húmedos 10 Arcilla ferrosas, piritosas 10 Esquistos grafíticos (húmedos y secos) Menos de 5 Agua de mar 1 Soluciones salinas 0,1 - 0,001 Minerales conductores 0,01 Grafitos 0,0001 NATURALEZA DEL TERRENO RESISTIVIDAD EN OHM · METRO Terrenos pantanosos De algunas unidades a 30 Limo 20 a 100 Humos 10 a 150 Turba húmeda 5 a 100 Arcilla plástica 50 Margas y arcillas compactas 100 a 200 Margas del jurásico 30 a 40 FOTOGRAFIAS SOLDADURAS RED DE TIERRA. 212 Figura 17. 3 Molde de Soldadura Figura 17. 4 Soldadura ya Terminada 213 3.3 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 3. SUBESTACIONES EN POSTE, ESTRUCTURA H, Y A NIVEL DE PISO. 3.3.1 OBJETIVO • Conocer las partes de las subestaciones en poste, estructura en H y a nivel de piso. • Conocer los parámetros que hay que seguir para hacer una subestaciones de los tipos mencionados en esta práctica. • Conocer los métodos correctos para realizar maniobras en este tipo de subestaciones. • Conocer los métodos de seguridad que hay que tener a la hora de realiza maniobras. 3.3.2 EXPOSICION SUBESTACIÓN Es un conjunto de máquinas, aparatos y circuitos, que tienen la función de modificar los parámetros de la potencia eléctrica, permitiendo el control del flujo de energía, brindando seguridad para el sistema eléctrico, para los mismos equipos y para el personal de operación y mantenimiento. Las subestaciones se pueden clasificar como sigue • Subestaciones en las plantas generadoras o centrales eléctricas. • Subestaciones receptoras primarias. • Subestaciones receptoras secundarias. Subestaciones en las plantas generadoras o centrales eléctricas.- Estas se encuentran en las centrales eléctricas o plantas generadoras de electricidad, para modificar los parámetros de la potencia suministrada por los generadores, permitiendo así la transferencia en alta tensión en las líneas de transmisión. Los generadores pueden suministrar la potencia entre 5 y 25 kV y la transmisión depende del volumen, la energía y la distancia. Subestaciones receptoras primarias.- Se alimentan directamente de las líneas de transmisión, y reducen la tensión a valores menores para la alimentación de los sistemas de subtransmisión o redes de distribución, de manera que, dependiendo de la tensión de transmisión pueden tener en su secundario tensiones de 115, 69 y eventualmente 34.5, 13.2, 6.9 o 4.16 kV. Subestaciones receptoras secundarias.- Generalmente estas están alimentadas por las redes de subtransmisión, y suministran la energía eléctrica a las redes de distribución a tensiones entre 34.5 y 6.9 kV. 214 Las subestaciones, también se pueden clasificar por el tipo de instalación, por ejemplo: • Subestaciones tipo intemperie. • Subestaciones de tipo interior. • Subestaciones tipo blindado. Subestaciones tipo intemperie.- Generalmente se construyen en terrenos expuestos a la intemperie, y requiere de un diseño, aparatos y máquinas capaces de soportar el funcionamiento bajo condiciones atmosféricas adversas (lluvia, viento, nieve, etc.) por lo general se utilizan en los sistemas de alta tensión. Subestaciones tipo interior.- En este tipo de subestaciones los aparatos y máquinas están diseñados para operar en interiores, son pocos los tipos de subestaciones tipo interior y generalmente son usados en las industrias. Subestaciones tipo blindado.- En estas subestaciones los aparatos y las máquinas están bien protegidos, y el espacio necesario es muy reducido, generalmente se utilizan en fábricas, hospitales, auditorios, edificios y centros comerciales que requieran poco espacio para su instalación, generalmente se utilizan en tensiones de distribución y utilización. En las Subestaciones Interiores y Exteriores es necesario tener en cuenta los siguientes parámetros: • Ubicación: la ubicación de la subestación debe estar muy cercana a la mayor carga (por los factores de caídas y pérdidas). • Seguridad • Accesibilidad: Tienen que tener buen acceso y después. • Evitar inundaciones. • Solidez del suelo • Control de Derrames • Fijación de los equipos • Ventilación: hay que evitar el calentamiento de los transformadores. • Las subestaciones no son ninguna bodega de nadie. • Espacio suficiente para trabajar: se debe contar con el espacio debido para realizar las maniobras. • Red de tierra. 215 SUBESTACIÓN EN POSTE Figura 18. 1 Subestación en Poste PARTES DE LAS SUBESTACIÓN: • Transformador • Poste de concreto • Mufa para tubo conduit según diámetro del tubo • Tubo conduit galvanizado pared gruesa según calibre de los conductores • Cable de cobre THW de acuerdo a la carga a instalar • Base enchufe 7 terminales 200 Amperes • Varilla para tierra de (3 m de longitud X 5/8”) • Conectador para varilla a tierra 216 • Tubo conduit de 19mm (3/4”) para proteger el cable a tierra • Interruptor termomagnético • Fleje de acero galvanizado • Cortacircuitos Fusible • Apartarrayos • Aislador alfiler • Cruceta de acero galvanizado • Medidor multifunción autocontenido • Sello de plástico tipo candado NOTAS IMPORTANTES • La Resistencia de tierra no debe ser mayor a 5 Ohms. • La tierra física del medidor no debe ser la misma que la de la subestación (apartarrayos) por protección del medidor y el conductor debe ser como mínimo calibre 1/0 AWG. • Cuando el proyecto incluye dos transformadores se deberá consultar con el Departamento de Medición de Zona. • La tubería que va de los bornes del transformador a la base del medidor no debe llevar registros y la distancia no debe ser mayor a 15 metros. • Los bornes del transformador deben quedar encintados. • El Medidor debe localizarse al límite de propiedad y la base del medidor puede quedar empotrada o sobrepuesta. 3.3.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTO • ¿A qué se debe el diseño de subestaciones en estructura H, en poste y en piso? • ¿Cuáles son las distancias que hay que respetar a la hora de construir subestaciones en estructura en H? • ¿Cuáles son las medidas de seguridad que hay que tener para dar mantenimiento a las subestaciones en piso? • ¿Cuáles son los valores de potencia más comunes en las subestaciones de poste? • Del tipo de Subestaciones vistas en esta práctica, ¿Cuáles necesitan apartarrayos? 3.3.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS Debido a que en esta práctica se realizará una visita técnica a una subestación de la Universidad, no será necesario ningún tipo de material ni equipo. 217 3.3.5 PROCEDIMIENTO Parte I En esta parte el profesor en conjunto con el instructor de la materia llevarán a los alumnos a una visita técnica para ver una subestación en H que corresponde al edificio de Comunicaciones de la Universidad, en la cual analizarán las conexiones, las protecciones y los parámetros que son visibles para analizar que tipo de carga se puede alimentar. Parte II Para esta parte se requiere que cada grupo de trabajo analice la subestación visitada, realizando un diagrama unifilar de la subestación y calculando los parámetros de voltaje, potencia y corriente que entrega la subestación. 3.3.6 CUESTIONARIO • Investigue quien es el que toma la decisión de la forma de instalación de una subestación, si el solicitante o la distribuidora. • ¿Qué tipo de materiales se utilizan para la construcción de la estructura de soporte de las subestaciones en H? • ¿Cómo deben ser las conexiones en primario y secundario para una subestación rural en poste? • En una subestación trifásica, se ha deshabilitado un transformador. ¿Qué sugeriría usted a esta empresa si quiere seguir operando? 218 3.3.7 ANEXOS Figura 18. 2 Subestación en Poste Figura 18. 3 Estructura en H 219 3.4 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 4 TRANSFORMADORES SECOS Y TIPO PAD-MOUNTED 3.4.1 OBJETIVOS • Conocer la estructura interna de un transformador tipo pad mounted y uno tipo seco. • Aprender a seleccionar el transformador adecuado para su correcto funcionamiento dependiendo de la carga instalada para evitar sobrecargas que disminuyan el buen funcionamiento del mismo. • Identificar las ventajas y desventajas de cada uno de los transformadores así como también su repercusión hacia el medio ambiente. • Conocer las tablas de selección de transformadores así también conocer las tablas de sobrecarga debido al efecto de la temperatura. 3.4.2 EXPOSICION TRANSFORMADORES SECOS. En la mayoría de los lugares donde las personas viven y trabajan puede encontrarse al menos un transformador. Pero mientras funcione proporcionando energía a las escaleras mecánicas de los grandes almacenes, al ascensor del hotel, en el interior de una torre eólica, al ordenador de la oficina, al horno de la panadería de la esquina, a la maquinaría agrícola o a la planta petroquímica, nadie se fijará en él. Los transformadores de tipo seco encapsulado al vacío se fabrican conforme a las normas internacionales EN/IEC/IEEE. Los transformadores de tipo seco encapsulado al vacío están diseñados a prueba de humedad y son adecuados para funcionar en ambientes húmedos o muy contaminados. Son los transformadores idóneos para funcionar en ambientes que presenten una humedad superior al 95 % y en temperaturas por debajo de los -25 °C. Existen más de 100.000 transformadores secos funcionando en todo el mundo, fabricados en plantas especialmente dedicadas a ello. 220 Mucho más accesibles para el usuario final, los transformadores secos pueden instalarse cerca del lugar de utilización, lo que permite optimizar el diseño de instalación reduciendo al máximo los circuitos de baja tensión, con el consiguiente ahorro en pérdidas y conexiones de baja tensión. En muchos países es obligatorio instalar transformadores secos cuando las subestaciones están situadas en edificios públicos. Los más económicos • Los que menos espacio necesitan • Los que menos trabajo de ingeniería civil precisan • No requieren características de seguridad especiales (detección de incendios) • Exentos en parte de mantenimiento • Una vida útil de los transformadores más larga gracias a un bajo envejecimiento térmico • Puede instalarse cerca del lugar de consumo reduciendo las pérdidas de carga • Un diseño óptimo sujeto a mejoras constantes tan pronto como se dispone de nuevos materiales • Se fabrican con un alto rendimiento productivo en plantas industriales especializadas • Son seguros y respetan el medio ambiente • Contaminación medioambiental reducida • Sin riesgo de fugas de sustancias inflamables o contaminantes • Fabricación segura para el medio ambiente (sistema cerrado) • Apropiados para zonas húmedas o contaminadas • Sin peligro de incendio • Los transformadores son incombustibles • Alta resistencia a los cortocircuitos • Gran capacidad para soportar sobrecargas • Buen comportamiento ante fenómenos sísmicos • Capaces de soportar las condiciones más duras de balanceo y vibraciones • Impactos medioambientales mínimos • Alto reciclado (90 %) 221 CAPACIDAD DE SOBRECARGA La experiencia ha demostrado que un transformador de tipo seco dura por lo general varias décadas. No obstante, es imposible calcular la duración exacta, ya que depende de las condiciones a las que haya sido expuesto el transformador. La vida útil de un transformador de tipo seco depende específicamente de las sobrecargas que haya sufrido durante su funcionamiento. Dichas sobrecargas pueden crear una fluctuación de temperatura durante el devanado que degrade las propiedades del aislamiento debido al envejecimiento térmico. Sin embargo, un transformador puede funcionar con algunas sobrecargas sin que ello afecte a su vida útil. Esto es posible si la carga normal es menor que la potencia nominal. Estas sobrecargas admisibles (K2) están limitadas en cuanto al tiempo (tp) de acuerdo con el índice de funcionamiento anterior (factor de carga, K1) y dependen de la temperatura ambiente media ponderada θa. Los transformadores se fabrican para un funcionamiento en potencia nominal, a una temperatura ambiente normal y de acuerdo a la norma CEI 60726: • Temperatura máxima: 40 °C • Temperatura media diaria: 30 °C • Temperatura media anual: 20 °C La temperatura de referencia, en caso de que no se especifique otra, será la temperatura media anual 20 °C. Figura 19. 1 Capacidad de Sobrecarga Un transformador diseñado para funcionar bajo una temperatura ambiente media anual de 20 °C puede utilizarse en ambientes con temperaturas mayores o menores 222 Tabla 3.2 Potencia Media Anual de Temperatura Ambiente Temperatura sobrecarga -10 °C 116% 0 °C 110% 10 °C 104% 20 °C 100% 25 °C 97% 30 °C 94% 35 °C 90% Figura 19. 2 Transformador Seco 223 TRANSFORMADORES TIPO PAD MOUNTED. Este tipo de Transformador es usado para el suministro de energía eléctrica en baja tensión conectado mediante cables de acometida y de distribución subterránea, a edificios residenciales, centros comerciales, urbanizaciones, clínicas, etc. El Pad Mounted es apto para las aplicaciones que requieran una unidad de transformación compacta, auto-protegida, que armonice con el medio ambiente Las principales ventajas es que sustituye una pequeña sub-estación y no necesita una caseta de ladrillos, cercas de alambre o postes con dispositivos de protección externos, ya que ésta posee fusibles extraíbles, limitadores de corriente y un interruptor para el seccionamiento de la acometida en la alta tensión normalizado por las compañías eléctricas, constituyendo el Pad Mounted en una alternativa de menor costo que el de una sub-estación del mismo tamaño Los transformadores de distribución trifásico Tipo Pad mounted son diseñados para servicio subterráneo y exterior montados sobre una base de concreto. El transformador es armado con los compartimientos de alta y baja tensión separados, y equipados con puertas frontales. El compartimiento de alto voltaje no es accesible mientras la puerta del compartimiento de baja tensión este abierta. El compartimiento de baja tensión tiene una provisión para que el usuario instale un candado para seguridad. Todas las partes vivas se encuentran en compartimientos totalmente bloqueados adecuadamente por seguridad. Una cubierta sobre la toma del tanque es accesible a través del gabinete y proporciona la protección contra daños por vandalismo y el medio ambiente. VENTAJAS: • Superior sistema de aislamiento y sellado. • Tienen un sistema de tanque sellado en aceite, aislado interiormente del medio ambiente. APLICACIONES: • Industrias, comercios, instituciones gubernamentales. • Pequeños y medianos comercios de comida rápida y mall. • Ideales para turbinas de viento para granjas. 224 Figura 19. 3 Partes de un Transformador tipo Pad Mounted 3.4.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • ¿En qué situación se utiliza el transformador tipo Pad Mounted? • ¿En qué situación se utiliza el transformador tipo seco? • ¿Mencione diferencias entre los dos tipos de transformadores? • ¿Cuáles son las partes que conforman a un transformador tipo Pad Mounted y a un transformador tipo seco? • Mencione ventajas de un transformador tipo seco sobre uno Pad Mounted. 3.4.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS. • Transformador tipo Pad Mounted. • Transformador tipo seco. 225 3.4.5 PROCEDIMIENTO. Esta práctica se realizará por medio de un recorrido dentro de la universidad en el cual con un encargado de mantenimiento y el respectivo instructor se visitará el área de ubicación de un transformador tipo Pad Mounted ubicado en los edificios“ D “. Se tendrá que identificar cada una de las partes que lo componen y principalmente tomar nota de las siguientes características: • Potencia del transformador. • Voltaje primario. • Voltaje secundario. • Tipo de Conexión primaria. • Impedancia. • Numero de Taps y voltajes que suministra. • Material del que esta hecho el lado primario. • Material del que esta hecho el lado secundario. • Protecciones internas del transformador. 3.4.6 CUESTIONARIO. • ¿En qué porcentaje de carga se encuentra en transformador? • ¿En qué parte está ubicada la protección el transformador en el primario o en el secundario? • ¿Qué sucedería si ocurriera una falla y la impedancia del transformador fuera menor que la impedancia de la red de tierra a la que está conectado? • ¿Cuál es la función que desempeña la base que posee el transformador tipo Pad Mounted? • ¿Cómo se le llama a la unión del cable de potencia con el borne del primario del transformador 226 3.4.7 ANEXOS. Figura 19. 4 Transformador Pad Mounted Figura 19. 5 Placa de Transformador Pad Mounted 227 PARTE INTERNA TRANSFORMADOR TIPO PAD MOUNTED. Figura 19. 6 Parte Interna Transformador Pad Mounted Tabla 3.3 Datos Técnicos Transformador Pad Mounted TENSIÓN MÁXIMA PARA EL EQUIPO (Um) 36 Kv 160 250 POTENCIA NOMINAL (Sr) KVA Pérdidas en vacio (Po) W 960 1280 Pérdidas en carga(Pk) 75°C W 2550 3520 Pérdidas de carga(Pk) 120°C W 2900 4000 Impedancia en cortocircuito % 6 6 Nivel de potencia sonora(LWA) dB 66 67 Longitud (A) mm 1550 1580 Anchura (B) mm 840 930 Altura (H) mm 1300 1450 Peso Kg 1120 1400 Distancia entre ruedas (E) mm 520 670 Diamétro de las ruedas mm 125 125 Anchura de las ruedas (G) mm 40 40 228 315 1500 4220 4800 6 68 1640 940 1450 1610 670 125 40 400 1650 6020 5700 6 69 1740 1000 1500 2100 670 125 40 500 1950 6250 7100 6 70 1700 1000 1650 2120 670 125 40 630 200 7040 8000 6 71 1760 1000 1750 2550 670 125 40 800 1000 2800 3100 8630 10240 9700 11500 6 7 72 73 1760 1880 1000 1050 1880 1950 3020 3250 670 670 125 125 40 40 3.5 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 5. PLANTAS DE EMERGENCIA. 3.5.1 OBJETIVOS • Conocer las partes que conforman a una planta de emergencia. • Comprender la importancia del buen uso de la planta de emergencia para asegurar su disponibilidad en el momento requerido. • Conocer la ubicación de una planta de emergencia dentro de un diagrama unifilar. • Conocer el uso, operación y funcionamiento general de la planta eléctrica de emergencia • Describir las rutinas de mantenimiento preventivo. 3.5.2 EXPOSICION PLANTAS DE EMERGENCIA. En nuestro país por diversas causas la continuidad en el servicio de energía eléctrica por parte de la compañía suministradora, se ve con mucha frecuencia afectada. Por esta razón en el sistema hospitalario, se hace necesario disponer de un generador auxiliar de emergencia (planta eléctrica), para que en ningún momento se paralicen aquellos servicios que son esenciales para la atención de los pacientes. Entonces la finalidad de la planta eléctrica de emergencia es la de proporcionar en el sitio la energía eléctrica necesaria cuando existe una falla en el suministro de la red comercial, mediante la disposición de un arreglo con otros dispositivos electromecánicos. La operación de la planta eléctrica de emergencia es extremadamente sencilla y puede funcionar en dos modalidades: • Modalidad automática • Modalidad manual OPERACIÓN AUTOMATICA. • Los selectores del control maestro deben estar ubicados en la posición de automático. El control maestro es una tarjeta electrónica que se encarga de controlar y proteger el motor de la planta eléctrica. • En caso de fallar la energía normal suministrada por la compañía de servicios eléctricos, la planta arrancará con un retardo de 3 a 5 segundos después del corte del fluido eléctrico. Luego la energía eléctrica generada por la planta es conducida a los diferentes circuitos del sistema de emergencia a través del panel de transferencia, a esta operación se le conoce como transferencia de energía. 229 • Después de 25 segundos de normalizado el servicio de energía eléctrica de la compañía suministradora, automáticamente se realiza la retransferencia (la carga es alimentada nuevamente por la energía eléctrica del servicio normal) quedando aproximadamente 5 minutos encendida la planta para el enfriamiento del motor. El apagado del equipo es automático. OPERACIÓN MANUAL En esta modalidad, se verifica el buen funcionamiento de la planta sin interrumpir la alimentación normal de la energía eléctrica. El selector de control maestro debe colocarse en la posición de “Manual”. Como medida de seguridad para que la planta eléctrica trabaje sin carga (en vacío), se debe colocar el interruptor principal “Main” del generador en posición de apagado off. Recomendación: El arranque manual es solo para realizar pruebas. Aunque en algunas industrias o comercios solo se utiliza el arranque y paro manual, lo único que la transferencia y retransferencia son automáticas. MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE UNA PLANTA DE EMERGENCIA. Antes de encender la planta eléctrica revisar: • Nivel de agua en el radiador • Nivel de aceite en el cárter • Nivel de agua en celdas de batería • Nivel de combustible en tanque diario • Verificar limpieza en terminales de batería. • Colocar el interruptor principal del generador “MAIN “ en OFF • Colocar los selectores de operación en el modo manual para arrancar la planta eléctrica. Se pone a funcionar de esta manera por unos 10 minutos y se revisa lo siguiente: • Frecuencia del generador (60 a 61Hz). • De ser necesario se ajusta el voltaje al valor correcto por medio del potenciómetro de ajuste. Luego de la revisión preliminar y si todo está correcto simular falla del fluido eléctrico y revisar lo siguiente: 230 • Corriente, voltaje y frecuencia del generador según los parámetros de operación (que pueden variar de un sistema a otro). • Si la temperatura del agua es muy alta, con mucha precaución quitar el tapón al radiador, revisar el nivel del agua y reponerla en caso de necesidad (sin parar el motor) si el nivel del agua se encuentra bien, buscar la manera de ventilar el motor por otros medios. También conviene verificar si el generador está muy cargado, ya que esa puede ser la causa, y si ese es el caso, se deberá disminuir la carga eléctrica hasta llegar a la corriente nominal de placa del generador. En caso de obstrucción de las celdas del radiador lavarlo a vapor para retirar la suciedad. • Si la presión del aceite es muy baja para el motor, esperar que se enfríe, luego revisar el nivel de aceite y reponerlo en caso de ser necesario (con el motor apagado). Después volver a encender el motor. • Si el amperímetro que señala la carga del alternador al acumulador proporciona una señal negativa, significa que el alternador no está cargando. En este caso se debe verificar el estado del alternador, regulador de voltaje y conexiones. • Si la frecuencia del generador baja a un punto peligroso, personal autorizado debe calibrar al generador del motor a fin de compensar la caída de frecuencia. es normal que el generador trabajando a plena carga baje un poco su frecuencia. • Si el voltaje del generador baja su valor, es posible recuperarlo girando el potenciómetro del regulador de voltaje. • Si en el trabajo de la planta llegaran a actuar las protecciones, debe verificar la temperatura del agua y presión del aceite. Si actúa la protección por alta temperatura de agua, dejar que el motor enfríe y después reponer el faltante. Para detener el motor, desconecte la carga manualmente y deje trabajar el motor durante tres minutos al vacío. Nota: • Conviene arrancar el motor por lo menos una vez a la semana por un lapso de 30 minutos, para mantener bien cargado el acumulador, cuando no existe cargador de baterías conectado a la planta; y para mantener el magnetismo remanente del generador en buen rango. También para corregir posibles fallas. 231 PUNTOS IMPORTANTES DE MANTENIMIENTO PARA EL OPERADOR. • • Verificar diariamente: o Nivel del agua en el radiador. o Nivel de aceite en el cárter o Nivel de combustible en el tanque. o Válvulas de combustible abiertas. o Nivel de agua destilada en las baterías y limpieza de los bornes. o Limpieza y buen estado del filtro de aire. o Que no haya fugas de agua, aceite y/o combustible. o Observar si hay tornillos flojos, elementos caídos, sucios o faltantes en el motor y tableros. Semanalmente, además de lo anterior: o Operar la planta en vacío (ver cuadro 1) y si se puede con carga para comprobar que todos sus elementos operan satisfactoriamente, durante unos treinta minutos por lo menos. o Limpiar el polvo que se haya acumulado sobre la planta o en los pasos de aire de enfriamiento, asimismo los tableros. • Mensualmente: Comprobar todos los puntos anteriores, además: o Comprobar la tensión correcta y el buen estado de las fajas del ventilador, alternador, etc. o Limpiar los tableros y contactos de relevadores si es necesario. o Observe cuidadosamente todos los elementos de la planta y tableros para posibles fallas. • • • Cada 150 horas de trabajo, además de lo anterior: o Cambiar filtro de aceite. o Si el motor está equipado con filtro de aire o tipo húmedo cambiarle el aceite. Cada 300 horas de trabajo, además de lo anterior: o Cambiar el elemento anticorrosivo del agua. o Cambiar los filtros de combustible. Cada año: o Si el filtro de aire es tipo seco, cambiarlo. 232 corregir RECOMENDACIONES GENERALES PARA LOS OPERADORES DE PLANTAS ELÉCTRICAS.: • Procure que no entre tierra y polvo al motor, al generador y al interior de los tableros de control y transferencia. • Cerciórese de que esté bien dosificado el combustible para el motor sin impurezas y obstrucciones • Compruebe que al operar la planta se conservan dentro de los valores normales las temperaturas del agua del radiador, de los embobinados del generador, de los tableros, del motor del interruptor de transferencia, etc. • Los motores nuevos traen un aditivo que los protege de la corrosión interna. Al igual que en los motores usados, después de algún tiempo necesitan protegerse con aditivos, los cuales duran períodos determinados. Después hay que suministrarle otro que los proteja. Además hay que evitar fugas y goteras sobre partes metálicas; en general hay que evitar la corrosión a todos costos. • • Se debe procurar que se tengan siempre los medios de suministro de aire, por ejemplo: o Aire limpio para la operación del motor. o Aire fresco para el enfriamiento del motor y generador. o Medios para desalojar el aire caliente. Compruebe siempre que la planta gira a la velocidad correcta por medio de su frecuencímetro y tacómetro. • Conozca siempre el buen estado de la planta en general. • Reportar al personal de mantenimiento las fallas en cuanto aparezcan, por muy sencillas que se vean. • Cuando el motor del interruptor de transferencia derrame lubricante, éste deberá sustituirse por grasa nueva. • Recurra al personal de Mantenimiento para implantar un programa. Abra un expediente para anotar todos los datos en la ficha de vida de la planta y por medio de ella compruebe la correcta aplicación del mantenimiento. 233 Figura 20. 1 Diagrama Unifilar Planta de Emergencia Los diagramas unifilares representan todas las partes que componen a un sistema de potencia de modo gráfico, completo, tomando en cuenta las conexiones que hay entre ellos, para lograr así la forma una visualización completa del sistema de la forma más sencilla. Ya que un sistema trifásico balanceado siempre se resuelve como un circuito equivalente monofásico, o por fase, compuesto de una de las tres líneas y un neutro de retorno, es rara vez necesario mostrar más de una fase y el neutro de retorno cuando se dibuja un diagrama del circuito. Muchas veces el diagrama se simplifica aún más al omitir el neutro del circuito e indicar las partes que lo componen mediante símbolos estándar en lugar de sus circuitos equivalentes. No se muestran los parámetros del circuito, y las líneas de trasmisión se representan por una sola línea entre dos terminales. A este diagrama simplificado de un sistema eléctrico se te llama diagrama unifilar o de una línea. Éste indica, por una sola línea y por símbolos estándar, cómo se conectan las líneas de transmisión con los aparatos asociados de un sistema eléctrico. 3.5.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • ¿Cuál es la función principal de una planta de emergencia? • ¿Cuáles son las partes que conforman una planta de emergencia? • ¿Con qué factor de potencia se deben de escoger las plantas de emergencia? • Menciones 5 mantenimientos preventivos que requiere una planta de emergencia. • Mencione las verificaciones necearías que se deben de realizar al momento de arrancar una planta de emergencia. 234 3.5.4 • MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS. Planta de emergencia. 3.5.5 PROCEDIMIENTO. Esta práctica de laboratorio consistirá en un recorrido por las plantas de emergencia que se encuentran en el campus de la universidad, en las cuales el estudiante tendrá que identificar los componentes estudiados previamente en clase y al principio de esta guía. Además aparte del instructor el grupo de laboratorio deberá de ir acompañado por la persona encargada de las plantas de emergencia de la universidad para que ésta les explique el manteniendo preventivo que se les da a dichas plantas, así también como el tiempo de reacción que éstas poseen. El alumno deberá de poner atención primordialmente es los siguientes puntos: • Capacidad de la planta de emergencia. (potencia en KVA). • Voltaje que suministra y de qué manera. • Tamaño del tanque de combustible y el tipo de combustible que utiliza. • Cuántas plantas de emergencia existen en la universidad y como están distribuidas, es decir a cuáles sectores proporcionan energía eléctrica en el momento de una falla en la red. • Hacer un diagrama de dicha planta, nombrando cada una de las partes que la componen. • Cuál es la potencia que la planta suministra y que tan cerca está de su potencia nominal. 3.5.6 CUESTIONARIO. • ¿Cumple esta planta de emergencia con las normas de seguridad necesarias para su correcto funcionamiento? • ¿Se le da el mantenimiento preventivo necesario y en el momento que lo requiere? • Después de observar las plantas de emergencia de la universidad ¿Cree que sería necesario otra u otras plantas de emergencia? y ¿En qué sectores las pondría y con cuantas carga? • ¿Cree que el sistema de emergencia de la universidad es el apropiado o es necesario rediseñar dicho sistema para un funcionamiento más eficiente del mismo? Explique. 235 3.5.7 ANEXOS. Diagrama de Bloques del sistema eléctrico con dos fuentes de alimentación Figura 20. 2 Diagrama de Bloques Sistema Eléctrico PLANTA DE EMERGENCIA. Ventilador y entrada de combustible. Ventilador. Abastecimiento. Tanque Retorno. Bloque de transferencia de combustible. Figura 20. 3 Planta de Emergencia 236 3.6 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 6. TABLEROS INDUSTRIALES DE MEDIA Y BAJA TENSION 3.6.1 OBJETIVO • Conocer las aplicaciones de los tableros de media y baja tensión. • Conocer las medidas de seguridad para la instalación de los tableros. • Conocer los tamaños de los tableros y los lugares en donde se colocan. • Conocer los métodos de seguridad que hay que tener a la hora de realiza maniobras. 3.6.2 EXPOSICION TABLEROS DE MEDIA TENSION Los tableros de Media Tensión son construidas bajo normas nacionales e internacionales y bajo rigurosos controles de calidad. Estos equipos pueden estar destinados a: • Distribución: diseñados para la distribución y seccionamiento de la energía en simple y doble barras de 2300 a 33000 Volt. Su equipamiento puede variar según el proyecto ejecutivo desde seccionadores fusibles, hasta interruptores en vacío o SF6. • Arranques de Motores: Diseñados para el comando y protección de motores de media tensión de 2,300 a 7,200 Volt. Estos permiten distintos tipos de arranques según su aplicación: • Arranques Directos • Arranques por auto-transformadores • Arranques estados sólidos • Arranques por variación de frecuencia La construcción de los mismos se realiza en celdas modulares compartimentadas en tres sectores definidos: • Recinto de baja tensión. • Compartimiento de media tensión • Ductos de barras Diseñados para cubrir la necesidad de equipos portátiles y aplicaciones temporarias de ubicación no definitiva. Cada centro de potencia puede estar compuesto por una celda de Maniobra y Protección y un Transformador de Potencia. 237 Este equipamiento se monta sobre un pretil de concreto dimensionado para la carga solicitada, logrando una estructura auto portante de elevada rigidez mecánica, fácil de transportar y minimizando el tiempo de instalación, existen para interiores y exteriores. Figura 21. 1 Tableros Figura 21. 2 Tablero 238 TABLEROS DE BAJA TENSIÓN Tableros Generales de Distribución Diseñados para la distribución y seccionamiento de la energía en diversos sectores de planta. Su equipamiento puede variar según el proyecto ejecutivo desde seccionadores fusibles hasta interruptores termo magnético de última generación. Su construcción puede realizarse en forma compartimentada o bien en columnas modulares. Figura 21. 3 Tablero Distribución Tableros Correctores del Factor de Potencia Estos equipos son destinados a la corrección del coseno PHI. La regulación se puede realizar en forma manual, automática o puntual. 239 Figura 21. 4 Tablero de Control Esta es la parte frontal del tablero, solo se muestran los contactores que accionan los bancos de capacitores, que se encuentran en la parte posterior. 3.6.3 PRUEBA TEÓRICA DE CONOCIMIENTOS • Los tableros pueden ser pequeños, medianos y grandes. Explique la utilización de cada uno de ellos. • ¿Los tableros pequeños tienen Main? • ¿A qué se le llama breakers? • ¿Cuáles son las partes de las que consta un tablero pequeño? • A los tableros pequeños llegan tres cables, ¿Cuáles son? • ¿Por qué se hace un circuito dedicado para las instalaciones de PC? • En un tablero se tiene Carcasa, Barras y Main. Defina cada uno de ellos y explique para que sirven. 3.6.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS • Tablero media tensión ubicado en el parqueo de los edificio D. 240 3.6.5 PROCEDIMIENTO En conjunto con el instructor y en compañía de personal de mantenimiento se realizará una visita a los tableros ubicados en el parqueo de los edificios D. Dichos tableros se abrirán y los estudiantes tendrán que identificar las siguientes partes: • Barras de alimentación principal (3 barras de cobre). • Barra de tierra. • Barra de neutro. • Interruptor principal. • Interruptores secundarios. 3.6.6 CUESTIONARIO. • ¿Cuál es el voltaje de alimentación de los tableros? • ¿Cuántos circuitos alimenta y de qué tipo son? • ¿Cuáles son las medidas físicas de los tableros? • ¿Por qué se ha colocado el tablero sobre una superficie de concreto situada a un nivel arriba del piso? • ¿Por dónde le entra la alimentación primaria a los tableros? 3.6.7 ANEXOS Centro Control de Motores Tableros diseñados para el comando y protección de motores. Permiten distintos tipos de arranques según su aplicación: • Arranques directos. • Arranques estrellas triángulos. • Arranques por autotransformadores. • Arranques estados sólidos. 241 3.7 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 7. AHORRO ENERGETICO EN LUMINOSIDAD. 3.7.1 OBJETIVOS • Conocer los distintos tipos de lámparas que son imprescindibles para el ahorro energético. • Comprender el funcionamiento de las lámparas ahorradoras de energía. • Tener claro porque es fundamental el ahorro energético hoy en día. 3.7.2 EXPOSICION EL DISPOSITIVO DE ALUMBRADO. Las lámparas. Energéticamente se definen por su eficacia luminosa (lúmenes/vatios), así para cada emplazamiento habrá de tratar de colocar las luminarias de mayor eficacia, cumpliendo con los requerimientos de tono de luz y rendimiento de color, valorando también su vida útil, esto implica un valor añadido ya que reduce las labores de reposición, condiciones de encendido y la posibilidad de regulación de flujo luminoso. A continuación se presentan a título indicativo los valores de eficacia de las lámparas más características. Iluminación: El empleo de bombillas de bajo consumo supone un ahorro de hasta un 80% respecto a las convencionales. La iluminación eléctrica en las viviendas suele suponer entre el 18 % y el 20% del consumo doméstico, en algunos casos basta con una actitud preventiva adquiriendo por ejemplo bombillas de bajo consumo (también conocida como lámpara fluorescente), poniendo múltiples fuentes de luz de bajo consumo en lugar de uno, aumentando la superficie de las ventanas. Lámpara fluorescente: La lámpara fluorescente, también denominada tubo fluorescente, es una lámpara de vapor de mercurio a baja presión, utilizada para la iluminación doméstica e industrial. Su gran ventaja frente a otro tipo de lámparas, como las incandescentes, es su eficiencia energética. Está formada por un tubo o bulbo fino de vidrio revestido interiormente con una sustancia que contiene fósforo y otros elementos que emiten luz al recibir una radiación ultravioleta de onda corta. El tubo contiene una pequeña cantidad de vapor de mercurio y un gas inerte, habitualmente argón o neón, sometidos a una presión ligeramente inferior a la presión atmosférica. Asimismo, en los 242 extremos del tubo existen dos filamentos hechos de tungsteno. Elementos necesarios para su funcionamiento. 120 V Figura 22. 1 Esquema de conexiones. En esta figura se distinguen, aparte de la propia lámpara, dos elementos fundamentales: el cebador (también llamado "partidor" o starter) y la reactancia inductiva. El cebador (partidor) está formado por una pequeña ampolla de cristal rellena de gas neón a baja presión y en cuyo interior se halla un contacto formado por láminas bimetálicas. En paralelo con este contacto se halla un condensador destinado a actuar de chupador de chispa o apagachispas. La presencia de este condensador no es imprescindible para el funcionamiento del tubo fluorescente pero si ayuda bastante a aumentar la vida útil del par bimetálico cuando es sometido a trabajar como interruptor de altos voltajes. Por esta razón se recomienda usar la iluminación fluorescente en regímenes continuos y no como iluminación intermitente. El elemento de reactancia inductiva está constituido por una bobina enrollada sobre un núcleo de chapas de acero, el cual recibe el nombre de balasto o "ballast". El penúltimo término, no debe ser confundido con el material usado en la construcción de vías de ferrocarril. 243 Funcionamiento: Al aplicar la tensión de alimentación, el gas contenido en la ampolla del cebador se ioniza con lo que aumenta su temperatura lo suficiente para que la lámina bimetálica se deforme cerrando el circuito, lo que hará que los filamentos de los extremos del tubo se enciendan. Al cerrarse el contacto el cebador se apaga y el gas vuelve a enfriarse, con lo que los contactos se abren nuevamente, esta apertura trae como consecuencia que el campo magnético creado en la reactancia inductiva se "desmorone" o desaparezca produciendo una variación brusca del campo magnético lo que trae como consecuencia, de acuerdo a la ley de inducción de Faraday, la generación de un alto voltaje capaz de producir una descarga dentro del tubo fluorescente y por lo tanto una corriente de electrones que van a interactuar con los átomos de Hg y Ar, emitiendo luz en el rango ultravioleta principalmente. El voltaje aplicado a los filamentos es alternante porque la energía eléctrica que alimenta el circuito es de corriente alterna. La función del condensador, contenido en el cebador, es absorber los picos de tensión que se producen al abrir y cerrar el contacto, evitando su deterioro por las chispas que, en otro caso, se producirían. Los filamentos, al calentarse, desprenden electrones que ionizan el gas argón que llena el tubo, formando un plasma que conduce la electricidad. Este plasma excita los átomos del vapor de mercurio que, como consecuencia, emiten luz visible y ultravioleta. El revestimiento interior de la lámpara tiene la función de filtrar y convertir la luz ultravioleta en visible. La coloración de la luz emitida por la lámpara depende del material de dicho recubrimiento interno. Las lámparas fluorescentes son dispositivos con pendiente negativa de la resistencia eléctrica respecto de la tensión eléctrica. Esto significa que cuanto mayor sea la corriente que las atraviesa, mayor es el grado de ionización del gas y, por tanto, menor la resistencia que opone al paso de dicha corriente. Así, si se conecta la lámpara a una fuente de tensión prácticamente constante, como la suministrada por la red eléctrica, la lámpara se destruiría en pocos segundos. Para evitar esto, siempre se conectan a través de un elemento limitador de corriente para mantenerla dentro de límites tolerables. Este elemento limitador, es la reactancia inductiva. Finalmente, la disminución de la resistencia interna del tubo una vez encendido, hace que la tensión entre los terminales del cebador sea insuficiente para ionizar el gas contenido en su ampolla y por tanto el contacto bimetálico queda inactivo cuando el tubo está encendido. 244 Compensación en lámparas fluorescentes: El conjunto tubo fluorescente-balasto-cebador posee elementos reactivos (bobina y condensadores) que consumen y ceden potencia reactiva respectivamente (la bobina la consume los condensadores la ceden). A menudo se intercala entre los terminales de entrada un condensador que tiene la finalidad de permitir que el factor de potencia del dispositivo sea cercano a 1, a este tipo de compensación se le denomina compensación en paralelo debido a este arreglo. El siguiente cálculo permite saber el valor (en pico o nanofaradios) del condensador que hay que intercalar, ya que si es colocado uno de valor mayor al necesario, aumentará la corriente y su consumo de energía y potencia, por lo que es importante encontrar el idóneo. Donde: C es la capacitancia del condensador. P es la potencia activa absorbida por el conjunto. es el ángulo cuyo coseno es el factor de potencia inicial, antes de la compensación. es el ángulo cuyo coseno es el factor de potencia final, después de la compensación. V es la tensión de entrada. f es la frecuencia en Hertz de la tensión de entrada. Propiedades: Las lámparas fluorescentes tienen un rendimiento luminoso que puede estimarse entre 50 y 90 lúmenes por vatio (lm/W). Su vida útil es también mejor que la de las lámparas de incandescencia, pudiendo variar con facilidad entre 5000 h y más de 15000 h, lo que depende de diversos factores, tales como el tipo de lámpara fluorescente o el equipo complementario que se utilice con ella. Hay en el mercado distintos modelos con diferentes temperaturas de color. Su temperatura de color está comprendida generalmente entre los 3000 K y los 6500 K (del Blanco Cálido a Luz Día Frío). Sin embargo, en la actualidad se pueden conseguir tubos con una amplia gama de temperatura de color, lo que permite encontrar con relativa facilidad modelos que van desde los 2700 K hasta los 8000 K. Su índice de rendimiento de color habitualmente va de 62 a 93, siendo el valor de 100 la representación correcta de colores en los objetos iluminados y 70 un valor considerado aceptable. 245 Desventajas: Las lámparas fluorescentes no dan una luz continua, sino que muestran un parpadeo que depende de la frecuencia de la tensión aplicada. Esto no se nota mucho a simple vista, pero una exposición continua a esta luz puede dar dolor de cabeza. El efecto es el mismo que si se configura una pantalla de ordenador a 60 Hz. Este parpadeo puede causar el efecto estroboscópico, de forma que un objeto que gire a cierta velocidad podría verse estático bajo una luz fluorescente. Por tanto, en algunos lugares (como talleres con maquinaria) puede no ser recomendable esta luz. También causa problemas con las cámaras de vídeo, ya que la frecuencia a la que lee la imagen del sensor puede coincidir con las fluctuaciones en intensidad de la lámpara fluorescente. Una solución para evitar estos inconvenientes, es la introducción de los balastos electrónicos a mediados de la década de los 80, y que tomaron gran importancia a partir de mediados de los 90. En estos sistemas se intenta hacer funcionar al tubo de la misma manera que en la forma tradicional pero esta vez en una frecuencia de más de 10 kHz con lo que se evita mucho el efecto estroboscópico, produce que el parpadeo sea invisible para el ojo humano, las cámaras de vídeo difícilmente lo tomen y como una ventaja extra el rendimiento del tubo es 10% más efectivo. Las lámparas fluorescentes que funcionan con balasto electromagnético, no pueden conectarse a un atenuador normal o dimmer (un regulador para controlar el brillo). Hay lámparas especiales (de 4 contactos) y controladores especiales que permiten usar un interruptor con regulador de intensidad. Figura 22. 2 Lámpara Compacta Lámpara compacta fluorescente con figura de espiral La lámpara compacta fluorescente o CFL (sigla del inglés compact fluorescent lamp) es un tipo de lámpara fluorescente que se puede usar con casquillos estándar con rosca Edison estándar (E27) o pequeña (E14). También se la conoce como: 246 • lámpara ahorradora de energía • lámpara de luz fría • lámpara de bajo consumo • bombilla de bajo consumo En comparación con las lámparas incandescentes, las CFL tienen una vida nominal mayor y usan menos energía eléctrica para producir la misma iluminación. De hecho, las lámparas CFL ayudan a ahorrar costos en facturas de electricidad, en compensación a su alto precio dentro de las primeras 500 horas de uso. Comparación de potencia eléctrica. En la tabla 3.4, se comparan potencias eléctricas de distintos tipos de lámparas para un mismo flujo luminoso. Las CFL tienen una duración media de unas 8000 horas de funcionamiento. La duración media de una lámpara incandescente está entre 500 y 2000 horas de funcionamiento dependiendo de su exposición a picos de tensión y a golpes y vibraciones mecánicas, además de la calidad de la propia lámpara. Las CFL usan típicamente cerca de una cuarta parte de la potencia de las incandescentes. Por ejemplo, una CFL de 15W produce la misma luminosidad que una incandescente de 60W, es decir, que el rendimiento luminoso de la CFL es de aproximadamente 60 lúmenes/W. El kilovatio-hora es la unidad usada para medir el consumo de energía eléctrica en la mayoría de los países. Los cálculos anteriores toman en cuenta la influencia del calentamiento de la lámpara sobre los costos de energía. La energía que no se usa en la generación de luz, se convierte en energía calorífica. Por tanto, las lámparas incandescentes producen sustancialmente más calor que las CFL para una determinada potencia luminosa. Durante los meses fríos, las lámparas incandescentes pueden ayudar a calentar las habitaciones y oficinas; pero en los meses cálidos, estas lámparas hacen que los sistemas de aire acondicionado tengan que gastar más energía eléctrica para el enfriamiento. 3.7.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • Explique el funcionamiento de una lámpara incandescente. • Explique qué función tiene el efecto Joule en el funcionamiento de una lámpara incandescente. • ¿Cuál es el beneficio de sustituir la reactancia tradicional y el cebador por un balasto y una reactancia electrónica en una lámpara fluorescente? • Explicar el funcionamiento de las lámparas fluorescentes. 247 3.7.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS • Dos lámparas fluorescentes T-12 de 1.5”. • Un balastro electrónico. • Dos apagadores de tres vías. • Cable AWG No. 14 • Módulo de Trabajo de Laboratorio de Instalaciones Eléctricas Industriales. • Multímetro. • Amperímetro. • Wattímetro. 3.7.5 PROCEDIMIENTO. CONEXIÓN DE LAMPARAS CON BALASTO. Realizar la conexión de las lámparas fluorescentes como se muestra a continuación. Hacer uso del módulo del Laboratorio de Instalaciones Eléctricas Industriales y conectar según indicaciones del instructor. No energizar hasta que el instructor dé el aval, después de hacer un análisis previo de la conexión de su circuito. • Si el balastro tiene un cable verde conectarlo a tierra física o bien a una estructura metálica. Si para el caso su balastro tiene este cable, identifique su función dentro del equipo. • La clave para la conexión y control de dos lámparas de encendido instantáneo desde dos puntos distintos está en identificar los cables que van a la FASE y al NEUTRO de la instalación, en este caso el cable negro es la FASE y el gris el NEUTRO. El resto del procedimiento es igual como si estuviese conectando una lámpara incandescente (bombilla o foco) a dos apagadores. 248 BALASTO Figura 22. 3 Lámpara con Balasto. Después de realizar la conexión y comprobar su funcionamiento, medir los siguientes parámetros: • Voltaje en ambas lámparas._____________________ y ______________________ • Corriente consumida por ambas lámparas__________________ y ____________________ • La potencia consumida por el sistema ______________________ Analice los valores obtenidos y discuta con su instructor si los datos obtenidos corresponden o están dentro del rango de un sistema de iluminación ahorrativo de energía. 3.7.6 CUESTIONARIO. • ¿Cuál es la función del cable verde en el balasto? • Algunas lámparas fluorescentes poseen un capacitor en paralelo. ¿Para qué sirve? Explique cuál es su función. • En sistemas ahorradores de energía. ¿Se usa compensación reactiva de algún tipo? Fundamente su respuesta con ejemplos prácticos. • ¿En qué parámetros se identifica si un sistema de iluminación es ahorrador de energía? ¿Lo es el circuito desarrollado en esta práctica? • Si tenemos un sistema ahorrador de energía. ¿Cambiará la luminosidad del sistema? ¿Variaría el nivel de lúmenes? 249 3.7.7 ANEXOS Funcionamiento de lámpara fluorescente. Figura 22. 4 Lámpara Fluorescente Tabla 3.4 Eficacia Luminosa 250 Tabla 3.5 Equivalente de salida de luz Equivalente de salida de luz Compacta Fluorescente Incandescente fluorescente Lámp. CCFL Lámp. LED clásica 25 W 5-6 W ? 4,5 a 9 W ? 40 W 8W ? 6 a 12 W ? 60 W 11–13 W ? ? ? 75 W 18–20 W ? ? ? 100 W 20 a 25 W ? ? ? 125 W 26 a 30 W ? ? ? 150 W 35 a 42 W ? ? ? 251 252 CAPITULO 4: PROTECCIONES Y APARATOS DE MANIOBRA DE REDES ELÉCTRICAS 4.1 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 1. PROTECCIÓN CONTRA CORTOCIRCUITOS. FUSIBLES E INTERRUPTORES EN BAJA TENSIÓN. 4.1.1 OBJETIVOS • Entender el funcionamiento de un fusible y además poder elegir el tipo adecuado según sea su aplicación. • Entender el funcionamiento de un interruptor y de cada una de sus partes en el momento de un falla. • Conocer los distintos tipos de fusibles que existen y su aplicación especifica. • Lograr comprender las gráficas de tiempos de fusión de los distintos tipos de fusibles. • Conocer los distintos tipos de equipos que los fusibles y los interruptores protegen. 4.1.2 EXPOSICION PROTECCIÓN DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS Toda instalación eléctrica tiene que estar dotada de una serie de protecciones que la hagan segura, tanto desde el punto de vista de los conductores y los aparatos a ellos conectados, como de las personas que han de trabajar con ella. Existen muchos tipos de protecciones, que pueden hacer a una instalación eléctrica completamente segura ante cualquier contingencia, pero hay tres que deben usarse en todo tipo de instalación: de alumbrado, domésticas, de fuerza, redes de distribución, circuitos auxiliares, etc., ya sea de baja o alta tensión. Estas tres protecciones eléctricas, que describiremos con detalle a continuación son: • Protección contra cortocircuitos. • Protección contra sobrecargas. • Protección contra electrocución. PROTECCIÓN CONTRA CORTOCIRCUITOS Se denomina cortocircuito a la unión de dos conductores o partes de un circuito eléctrico, con una diferencia de potencial o tensión entre sí, sin ninguna impedancia eléctrica entre ellos. Este efecto, según la Ley de Ohm, al ser la impedancia cero, hace que la intensidad tienda a infinito, con lo cual peligra la integridad de conductores y máquinas debido al calor generado por 253 dicha intensidad, debido al efecto Joule. En la práctica, la intensidad producida por un cortocircuito, siempre queda amortiguada por la resistencia de los propios conductores que, aunque muy pequeña, nunca es cero. Según los reglamentos electrotécnicos, "en el origen de todo circuito deberá colocarse un dispositivo de protección, de acuerdo con la intensidad de cortocircuito que pueda presentarse en la instalación". No obstante se admite una protección general contra cortocircuitos para varios circuitos derivados. Los dispositivos más empleados para la protección contra cortocircuitos son: • Fusibles calibrados (también llamados cortacircuitos), • Interruptores automáticos magneto térmicos • Interruptores magnéticos Fusibles. Los fusibles o cortacircuitos, no son más que una sección de hilo más fino que los conductores normales, colocado en la entrada del circuito a proteger, para que al aumentar la corriente, debido a un cortocircuito, sea la parte que más se caliente, y por tanto la primera en fundirse. Una vez interrumpida la corriente, el resto del circuito ya no sufre daño alguno. Antiguamente los fusibles eran finos hilos de cobre o plomo, colocados al aire, lo cual tenía el inconveniente de que al fundirse saltaban pequeñas partículas incandescentes, dando lugar a otras averías en el circuito. Actualmente la parte o elemento fusible suele ser un fino hilo de cobre o aleación de plata, o bien una lámina del mismo metal para fusibles de gran intensidad, colocados dentro de unos cartuchos cerámicos llenos de arena de cuarzo, con lo cual se evita la dispersión del material fundido; por tal motivo también se denominan cartuchos fusibles. Los cartuchos fusibles son protecciones desechables, cuando uno se funde se sustituye por otro en buen estado. Información general de fusibles suministrada por el fabricante. La información técnica relacionada con un fusible, proporcionada por el fabricante, debe ser lo más clara y completa posible para facilitar una correcta comunicación con el usuario. De esta información dependerá el uso correcto de dichos elementos de protección, y de no ser exacta puede ocasionar gastos innecesarios y daños a componentes y equipos del circuito eléctrico 254 Esta información está referida a los puntos mencionados a continuación. • Corriente Nominal (In). • Voltaje Nominal (Vn). • Capacidad de Ruptura (Irup.) • Tipo de corriente (AC o DC) • Frecuencia. • Clase. • Tipo de Fusión. • Normas. • Curvas de operación. Figura 23. 1 Fusibles Los cartuchos fusibles también pueden mejorarse aplicándole técnicas de enfriamiento o rapidez de fusión, para la mejor protección de los diferentes tipos de circuitos que puede haber en una instalación. Si llamamos If a la intensidad a la cual ha de fundir un fusible, los tres tipos antes mencionados, se diferencian en la intensidad que ha de atravesarlos para que fundan en un segundo. • Los fusibles lentos funden en un segundo para I = 5 If • Los fusibles rápidos funden en un segundo para I = 2,5 If • Los de acompañamiento funden en un segundo para I = 8 If Los fusibles de acompañamiento (aM) se fabrican especialmente para la protección de motores, debido a que aguanten sin fundirse las puntas de intensidad que estos absorben en el arranque. Su nombre proviene del hecho que han de ir acompañados de otros elementos de protección, como son generalmente los relés térmicos. 255 Cada cartucho fusible tiene en realidad unas curvas de fusión, que pueden diferir algo de las definiciones anteriores, dadas por los fabricantes. Los fusibles lentos (gT) son los menos utilizados, empleándose para la protección de redes aéreas de distribución generalmente, debido a los cortocircuitos momentáneos que los árboles o el viento pueden hacer entre los conductores. Los fusibles rápidos (gF) se emplean para la protección de redes de distribución con cables aislados y para los circuitos de alumbrado generalmente. Los fusibles de acompañamiento (aM), son un tipo especial de cortacircuitos, diseñado para la protección de motores eléctricos. Los cartuchos fusibles de los tipos gF y gT bien elegidos, en cuanto a intensidad de fusión, se emplean también como protección contra sobrecargas, principalmente en instalaciones de alumbrado y de distribución, pero nunca debe de emplearse el tipo aM, ya que éstos, como ya se dijo, están diseñados especialmente para la protección contra cortocircuitos de los motores eléctricos. Los principales tipos de fusible de alta capacidad de ruptura son los tipos NH, HH, cilíndricos, D y DO. • NH. El fusible de alta capacidad de ruptura y baja tensión, denominado NH por sus siglas alemanas, se fabrica en siete tamaños: 00, 0, 1, 2, 3, 4 y 4a, con corrientes nominales desde 6 A hasta 1600 A, todos con una tensión nominal de 500 A (con una excepción, el de clase gTr, que es para 400 V nominales). Su aplicación se indica con dos letras, siendo minúscula la primera y mayúscula la restante. La primera letra es g o a, g indica fusible capaz de cortar cualquier sobrecorriente que lo funda, en cambio la letra a pone de manifiesto que la mínima corriente de operación segura debe ser suministrada por el fabricante. • HH. El dispositivo de alta capacidad de ruptura y media tensión, de igual manera que en el caso anterior es denominado HH, posee corrientes nominales desde 0,5 A hasta 400 A, y tensiones nominales desde 2,3 kV hasta 33kV. Los tamaños se encuentran normalizados por DIN 43625, fijando diámetro y largo del contacto cilíndrico en 45 y 33 mm respectivamente, mientras que los largos del cuerpo son 192, 292, 367, 442 y 537 mm. entre 4 y 6 veces la corriente nominal). • D y DO. Los tipos D y DO son especiales para aplicaciones de menor potencia y corriente que los NH, con tensiones nominales 500 y 380 (o 400) V respectivamente, con corrientes variable 256 según el tipo, desde 2 A hasta 100 A (es muy común encontrar corrientes nominales de hasta 200 A) para el D y hasta 100 A para el DO. Cilíndricos. Su difusión en nuestro medio está comenzando ahora, disponiendo de los tamaños y corrientes nominales indicados a continuación: 8,5x3,15 mm (largo total y diámetro de los contactos), 1-20-25* A; 10,3x38 mm, 0,5-20-25*-32* A; 14x51 mm, 2-25-32*-35*-50* A y 22x58 mm, 16-80-100* A. (* no normalizados). Indicador o percutor. Los fusibles de baja tensión poseen un indicador de operación, cuya función es poner de manifiesto en una forma fácil de detectar la actuación del dispositivo. Los fusibles tipo D y DO disponen de un disco coloreado (cuyo color como se muestra en la tabla 5.1, está relacionado con la corriente nominal del dispositivo, dando una indicación de la corriente nominal sin necesidad de extraerlo de la base, disminuyendo así el trabajo de reemplazo y por ende el riesgo de accidente), el cual es expulsado por un pequeño resorte cuando el fusible opera. En el caso de los fusibles NH, el indicador es capaz de realizar un pequeño trabajo mecánico cerrando o abriendo un micro-contacto, el cual está montado sobre el mismo fusible, requiriendo su reinstalación al cambiar el fusible. Tal accesorio es de considerable aplicación en el caso de proteger semiconductores, donde se emplean usualmente fusibles en ramas en paralelo, por lo que se necesita conocer el estado de conducción de las distintas ramas. INTENSIDAD NOMINAL MÍNIMA ADMISIBLE EN UN FUSIBLE Am La intensidad nominal mínima del fusible de protección de un motor se determina a partir de la intensidad de arranque y del tiempo de arranque del mismo. En un arranque normal un fusible no debe fundir ni envejecer. En los motores de jaula (arranque directo) la intensidad de arranque es aproximadamente de 4 a 8 veces la intensidad nominal. El tiempo de arranque depende del par de giro del motor y del momento de inercia de todas las masas a acelerar; este tiempo suele estar comprendido entre 0,2 y 4 segundos, pudiendo ser mayor en casos especiales de "arranque difícil". En los motores de anillos rozantes y motores de jaula con arranque estrella-triángulo, la intensidad de arranque suele estar comprendida entre 1 y 2,8 veces la intensidad nominal. El tiempo de arranque en estos casos varía muy ampliamente. Para tiempos de arranque de hasta 5 segundos, la intensidad nominal del fusible puede ser igual a la intensidad nominal de empleo del motor, pero para valores iguales o superiores es conveniente determinar la intensidad nominal del fusible, teniendo en cuenta las curvas características intensidad-tiempo de arranque del motor y del relé térmico de protección. 257 Seguidamente veamos el caso de un motor cuya intensidad de arranque es seis veces el valor nominal y el tiempo es de cinco segundos. Figura 23. 2 Curva Intensidad Nominal La intensidad nominal mínima del fusible la podemos obtener mediante la intersección de dos líneas, la determinada por el tiempo de arranque tA y la correspondiente a 0,85 de la intensidad nominal IA. El punto así determinado nos marca el límite inferior de la banda de dispersión del fusible, por lo tanto el fusible elegido deberá pasar por encima de este punto. Observando la curva característica de la protección térmica F1 y la curva característica del fusible elegido F2, podremos observar cómo la actuación de relé térmico se extiende hasta diez veces la intensidad nominal (intersección de F1 con F2), y a partir de este valor será el fusible el encargado de proteger el motor. 258 FUSIBLES DIAZED En la clasificación de fusibles tipo tapón entre los diazed de origen Alemán, fabricados y muy usados en el país Figura 23. 3 Fusibles Diazed FUNCIONAMIENTO Consiste esta en un balín o cartucho fusible el cual se introduce en la coronilla roscada que se atornilla en la placa porta fusible. El balín en su parte inferior, hace contacto en los tornillos que esta enroscado en la base de la placa porta fusible a un terminal de la línea; en la parte superior del fusible del fusible balín hace contacto con la rosca, a su vez, tiene un contacto con el otro terminal de la base portafusiles. Cada tapón lleva estampado los valores de corriente y tensión para os cuales debe ser usado. Además de coronillas tiene una mica transparente para ver cuando el fusible esta quemado, ya que al quemarse el fusible, del balín se desprende una caperuza roja. Este tipo de fusibles se fabrica para las siguientes intensidades: • 6-10-15-20-25-35-50-60-80-100-125-160-200 amperes. 259 FUSIBLES DE CARTUCHO Figura 23. 4 Fusibles Cartucho Los fusibles de cartucho están constituidos por un cilindro de fibra dura en cuyo interior se pone la tira fusible. Esta tira se sujeta fuertemente mediante los casquillos de latón roscado internamente que se atornillan en los extremos del cilindro de fibra. Esta tira fusible, una vez que se funde, se puede retirar desatornillando los casquillos y colocando una nueva. Los fusibles de cartucho con contactos de casquillos, son muy usado por su economía y seguridad. La tira fusible no es costosa, el cilindro de fibra se cambia solo en los casos en que la llama de un cortocircuito muy fuerte lo perfora. Estos fusibles se fabrican de capacidades de 0,1 a 60 amperes. Los fusibles de cartucho con contacto de casquillo se sujetan por medio de pinzas de resorte que agarran los dos casquillos. Figura 23. 5 Casquillos 260 Estas pinzas deben quemar bien adheridas para obtener un buen contacto. Otro tipo de fusibles de cartuchos tienen contacto de hojas de cuchillas unidas a los casquillos de los extremos. Figura 23. 6 Cartuchos Estas hojas encajan en pinzas similares a las comunes de los instructores de cuchillas. El contacto por hoja permite una circulación de corriente más intensa, por este motivo estos fusibles se fabrican para intensidades de 61 a 101 a 200 a; 2001 a 400 amperes, 401 a 600 amperes. Figura 23. 7 Pinzas 261 TIPOS DE CARTUCHOS Y CURVAS ORIENTATIVAS DE FUSION. Figura 23. 8 Tipos de Cartuchos INTERRUPTORES. Los interruptores pueden ser de dos tipos: • Conexión. • Protección. De acuerdo a su forma constructiva hay dos tipos de interruptores: • ACB. • MCCB. El interruptor de tipo ACB tiene una capacidad interruptiva mayor que la del MCCB. Llamándose capacidad interruptiva a la mayor intensidad de corriente o cortocircuito que el interruptor puede manejar sin dañarse. 262 INTERRUPTOR MCCB. Un interruptor MCCB o Molded Case Circuit Breakers es un limitador de corriente. El sistema de interrupción del arco eléctrico que se utiliza en los interruptores automáticos permite cortar con extrema rapidez las corrientes de cortocircuito de valor muy elevado. La considerable velocidad de apertura de los contactos, la acción dinámica de soplado ejercida por el campo magnético y la estructura de la cámara de arco, contribuyen a extinguir el arco en el menor tiempo posible, limitando de esta forma significativamente el valor de la energía específica pasante I2t y el pico de corriente. Figura 23. 9 Interruptor MCCB Existen 3 tipos o ramas de interruptores: • LINEAS. • GENERADORES. • MOTORES. PROTECCION EN LINEAS. Para seleccionar los interruptores de maniobra y protección de líneas, es necesario conocer los siguientes parámetros: • La corriente de utilización de la línea lB • La capacidad de corriente en régimen permanente de la línea lZ • La sección S y el material de aislamiento del cable con correspondiente constante K • La corriente de cortocircuito Icc en el punto de instalación del interruptor automático. 263 El dispositivo de protección seleccionado ha de poseer un poder de corte (Icu o Ics a la tensión de instalación) mayor o igual al valor de cortocircuito en el punto de aplicación; además, las características de funcionamiento del dispositivo seleccionado han de respetar las siguientes condiciones: Protección contra sobrecargas Ib ≤ In ≤ Iz If ≤ 1,45 Iz Donde: IB es la corriente de empleo del circuito; IZ es la capacidad de corriente en régimen permanente de la línea; In es la corriente asignada regulada del dispositivo de protección; If es la corriente que asegura el funcionamiento efectivo del dispositivo de protección. Protección contra cortocircuitos Suponiendo que el calentamiento de los conductores durante el paso de la corriente de cortocircuito sea adiabático, se debe respetar la fórmula siguiente: (I2t) < (K2S2) Es decir, la energía específica pasante (I2t) del interruptor automático debe ser inferior o igual a la energía específica (K2S2) soportada por el cable. También se ha de controlar que el interruptor automático intervenga dentro de los límites indicados por la normativa internacional para el valor mínimo de la corriente de cortocircuito a final de línea. Como corriente de cortocircuito mínima se considera la correspondiente a un cortocircuito que se produce entre fase y neutro (o entre fase y fase si el conductor de neutro no está distribuido) en el punto más lejano de la línea. Protección contra los contactos indirectos En caso de defecto que afecte a una fase y una parte de la instalación que normalmente no está bajo tensión, es necesario controlar que el interruptor automático actúe dentro de los tiempos indicados por la normativa internacional para valores de corriente inferiores o iguales a la corriente de defecto. 264 PROTECCION EN GENERADORES. Los generadores de baja tensión para los que está indicada la utilización de los interruptores automáticos, se utilizan en las siguientes aplicaciones: • A: Generadores de reserva para servicios esenciales • B: Generadores con funcionamiento aislado • C: Generadores de pequeñas centrales conectados en paralelo con otros generadores y, eventualmente, con la red. En los casos A y B, el generador no funciona en paralelo con la red: la corriente de cortocircuito depende, por lo tanto, del mismo generador y, eventualmente, de los servicios conectados. En el caso C, el poder de corte se tiene que determinar mediante la evaluación de la corriente de cortocircuito impuesta por la red en el punto de instalación del interruptor. Para la protección de los generadores, los puntos principales que se deben controlar son: • La corriente de cortocircuito suministrada por el generador; dicha evaluación requiere el conocimiento de las reactancias y las constantes de tiempo típicas de la máquina. Se recuerda que, normalmente, se requieren bajas regulaciones de la protección contra cortocircuito (2 a 4 veces In); • El límite de sobrecarga térmica de la máquina, se establece en 1,5xIn para un tiempo de 30 segundos. PROTECCION EN MOTORES. El interruptor automático de baja tensión, en los circuitos de alimentación de los motores asíncronos trifásicos, puede garantizar las funciones de: • Maniobra • Protección contra sobrecargas • Protección contra cortocircuitos. 265 Evolución de los valores de cresta de la corriente durante la fase de arranque de un motor asíncrono trifásico. Figura 23. 10 Corriente en Arranque Esta solución está especialmente indicada si la frecuencia de maniobras no es elevada, como ocurre normalmente para los motores de gran potencia: en este caso, el uso único del interruptor de maniobra y la protección del motor representa una solución que se impone por competitividad económica, fiabilidad, facilidad de instalación y mantenimiento, y dimensiones reducidas. Los interruptores automáticos pueden realizar funciones de maniobra y de protección de los motores debido a sus elevados poderes de corte y amplias posibilidades de regulación ofrecidas por los relés de microprocesador. 266 Para potencias hasta 355 kW se encuentran disponibles los interruptores automáticos en caja moldeada. Para potencias superiores a 630 kW normalmente, se utiliza la alimentación en media tensión. 4.1.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • Defina que es un fusible. • ¿Cuáles son las partes que componen a un fusible? • ¿Cuáles son los tipos de fusibles que existen? Menciónelos e indique las diferencias entre ellos. • ¿Cuál es la función de los fusibles AM? • ¿Qué es un fusible Diazed? • Defina un interruptor ACB. • Defina un interruptor MCCB. • ¿Cuáles son los elementos que protegen principalmente los interruptores? 4.1.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS • 1 fusible tipo gt . • 1 fusible tipo gf. • 1 fusible tipo aM. • 1 fusible Diazed. • 1 Interruptor MCCV. 4.1.5 PROCEDIMIENTO Esta práctica consiste en la identificación de los distintos tipos de interruptores que existen. El estudiante debe ser capaz de identificar toda la gama de fusibles e interruptores para su correcta utilización. El instructor mostrará los diferentes fusibles e interruptores y explicará su estructura interna y externa así como también su fabricación. Cada estudiante tomará cada uno de los elementos, identificando los materiales de los que está construido y en complemento con la teoría observará sus curvas de fusión. Además se accionaran los interruptores de tipo MCCB y ACB. 267 Figura 23. 11 Interruptor MCCB 4.1.6 CUESTIONARIO • ¿Cuál es la diferencia física entre un fusible gt y uno gf? • ¿Cuál es la diferencia física entre un fusible aM y uno diazed? • ¿De qué depende el calibre del conductor dentro de un fusible? • ¿De qué depende el tamaño físico de un interruptor? • ¿Cómo funciona internamente un interruptor? 268 4.1.7 ANEXOS Tabla 4.1 Capacidad de fusibles SECCION DEL DIAMETRO DEL CONDUCTOR CONDUCTOR 0,50 0,80 4 --- 0,75 0,98 5,5 --- 1,00 1,13 7 6 1,50 1,39 9,5 10 2,50 1,78 14 15 4 2,26 20 20 6 2,77 27 25 10 3,57 39 35 16 4,52 56 50 25 5,65 80 80 35 6,67 100 100 50 8,00 130 125 70 9,45 170 160 95 11,05 210 200 120 12,35 230 225 150 13,82 270 260 185 15,35 310 300 240 17,50 380 350 300 19,50 450 430 400 22,60 560 500 500 25,25 660 600 625 28,20 780 700 800 31,90 940 850 1000 35,70 1100 1000 269 AMPERES CAPACIDAD DEL FUSIBLE 4.2 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 2. PROTECCIÓN CONTRA SOBRECARGAS. RELÉS BIMÉTALICOS, RELÉS ELECTRÓNICOS Y SENSORES DE TEMPERATURA (TERMISTORES). PTC Y NTC. 4.2.1 OBJETIVOS • Entender qué es una sobrecarga y conocer los dispositivos existentes para la protección de los equipos debido a este factor. • Comprender el funcionamiento de los relés bimetálicos y su aplicación en la industria. • Identificar cuáles son las ventajas de los relés electrónicos sobre los bimetálicos. • Entender el funcionamiento de los termistores PTC y NTC. • Comprender cuál es el dispositivo de protección contra sobrecarga más efectivo. 4.2.2 EXPOSICION La función de la protección contra sobrecargas es permitir las sobrecargas correspondientes a un servicio normal y desconectarlas antes que el tiempo de carga admisible sea sobrepasado. Las corrientes de sobrecarga calientan el devanado de los motores a temperaturas no admisibles y disminuyen su vida útil. Mientras más alta sea la corriente de sobrecarga, más rápidamente se alcanza la temperatura límite y por tanto, más corto es el tiempo de carga admisible. Equipos: relés bimetálicos, relés electrónicos, termistores (PTC y NTC) RELES BIMETALICOS. Los relés térmicos bimetálicos constituyen el sistema más simple y conocido de la protección térmica por control indirecto, es decir, por calentamiento del motor a través de su consumo. Los bimetales están formados por la soldadura al vacío de dos láminas de materiales de muy diferente coeficiente de dilatación (generalmente ínvar y ferroniquel). Al pasar la corriente eléctrica, los bimetales se calientan y se curvan, con un grado de curvatura que depende del valor de la corriente y del tiempo. En caso de sobrecarga, al cabo de un determinado tiempo definido por su curva característica, los bimetales accionan un mecanismo de disparo y provocan la apertura de un contacto, a través del cual se alimenta la bobina del contactor de maniobra. Este abre y desconecta el motor. En los relés térmicos diferenciales se dispone de un sistema mecánico diferencial para la protección contra fallos de fase. Si durante la marcha del motor se interrumpe una fase (p.e. L3), el bimetal de esta fase se enfría y desplaza hacia la izquierda la regleta superior. Con ello se 270 consigue una carrera adicional en el extremo de la palanca, de forma que con una menor deformación de los otros dos bimetales se produce el disparo. El efecto resultante es un desplazamiento de la curva de disparo según la línea de trazos de la curva característica, de forma que éste se produce con una intensidad inferior a la nominal (generalmente a 0.85 de la nominal). Se trata, pues, de una protección contra fallos de fase muy relativa, ya que el tiempo de disparo depende de la intensidad que esté consumiendo el motor. Si en el momento del fallo de fase esta intensidad fuera inferior al valor ajustado en el relé, éste no dispararía o lo haría en un tiempo muy grande. En cualquier caso se trata de un disparo lento, ya que incluso con la intensidad nominal habría que esperar un tiempo de aproximadamente 100 segundos. Figura 24. 1 Relé Térmico Por otra parte, los relés térmicos tienen una curva de disparo fija y está prevista para motores con arranque normal, es decir, con tiempos de arranque del orden de 5 a 10 segundos. En los casos de arranque difícil (p.e. en centrifugadoras, molinos, grandes ventiladores, etc.), que tienen un mayor tiempo de arranque, la curva de disparo (en El Salvador la más usada es la clases 10) resulta demasiado rápida y el relé térmico dispararía durante el arranque. Para evitar esto hay que recurrir a algún procedimiento especial como puentear el térmico durante el arranque o alimentarlo a través de transformadores saturables. Esto además de encarecer considerablemente el arrancador, supone emplear procedimientos sin fundamento físico porque en realidad lo que se hace es engañar a la protección. 271 Así pues, el sistema de protección por relés térmicos bimetálicos es generalmente utilizado por ser mucho más simple y económico, pero no por ello se deben dejar de considerar sus limitaciones, entre las cuales podemos destacar las siguientes: • Curva de disparo fija, no apta para arranques difíciles. • Ajuste impreciso de la intensidad del motor. • Protección lenta o nula contra fallos de fase, dependiendo de la carga del motor. • Ninguna señalización selectiva de la causa de disparo. • Imposibilidad de auto controlar la curva de disparo. Figura 24. 2 Disparo por Fallo de Fase 272 Curvas características de un relé de sobrecarga tripolar para arranque normal Figura 24. 3 Curva Característica de un relé RELES ELECTRONICOS. El secreto de una buena protección está en simular lo más exactamente posible el comportamiento térmico del motor, lo que evidentemente no es nada fácil. Son muchas las causas que afectan al buen funcionamiento de un motor y por lo tanto solamente un dispositivo electrónico es capaz de realizar los distintos reglajes y las distintas combinaciones necesarias para poder cubrir la casi totalidad de las posibles causas de avería que se pueden presentar en un motor. La construcción basada en los microprocesadores asegura una estabilidad de larga duración, una precisión elevada y un funcionamiento libre de perturbaciones. 273 Uso del relé electrónico de protección de motores: • ayuda a prolongar la vida útil del motor • ayuda a optimizar el tamaño del motor • ayuda a planificar los trabajos de mantenimiento • protege la unidad contra daños mecánicos Curvas características de un relé electrónico Figura 24. 4 Curva Característica Relé Electrónico SENSORES DE TEMPERATURA (TERMISTORES). PTC Y NTC. ¿QUE SON LOS TERMISTORES? Son resistores variables con la temperatura, pero no están basados en conductores como las RTD, sino en semiconductores. Si su coeficiente de temperatura es negativo NTC (negative temperature coefficient), mientras que si es positivo, se denominan PTC. Los símbolos respectivos son los de la figura donde el trazo horizontal en el extremo de la línea inclinada indica que se trata de una variación no lineal. 274 Figura 24. 5 PTC La principal característica de este tipo de resistencias es que tienen una sensibilidad del orden de diez veces mayor que las metálicas y aumenta su resistencia al disminuir la temperatura. Su fundamento está en la dependencia de la resistencia de los semiconductores con la temperatura, debida a la variación con esta del número de portadores reduciéndose la resistencia, y de ahí que presenten coeficiente de temperatura negativo. Esta dependencia varía con la presencia de impurezas, y si el dopado es muy intenso, el semiconductor adquiere propiedades metálicas con coeficiente de temperatura positivo (PTC) en un margen de temperaturas limitado. Para las NTC, en un margen de temperaturas reducido (5OºC), la dependencia se puede considerar de tipo exponencial de la forma ⎡ ⎛ 1 1 ⎞⎤ RT = R0 ∗ exp∗ ⎢ B ∗ ⎜⎜ − ⎟⎟⎥ ⎣ ⎝ T T0 ⎠⎦ Ec.(1.8) Donde: Ro es la resistencia a 25ºC u otra temperatura de referencia, y To es dicha temperatura expresada en Kelvins; la figura muestra la dependencia real entre Rt y T para algunos modelos. El parámetro B es la denominada temperatura característica del material, y tiene valores de 2OOO K a 5OOOK, pero varía con la temperatura, aumentando al aumentar esta. Para algunas aplicaciones de los termistores, no interesan tanto sus características resistenciatemperatura como la relación entre la tensión en bornes del termistor y la corriente a través de ellos. 275 Curva típica de un termistor. Figura 24. 6 Curva Típica de un Termistor Para corrientes bajas, la tensión en bornes del termistor es prácticamente proporcional a la corriente porque el autocalentamiento del termistor es muy pequeño. Cuando aumenta la corriente, el termistor sufre un autocalentamiento apreciable (pto A de la curva) y alcanza una temperatura por encima de la del ambiente, reduciéndose su resistencia, y por lo tanto, la caída de tensión a su través. La potencia disponible en el circuito determina el punto en el que se alcanza el régimen estacionario. El punto E, corresponde a la corriente máxima no peligrosa. Al aumentar la temperatura ambiente, la curva se desplaza hacia abajo. En la zona de autocalentamiento el termistor es sensible a cualquier efecto que altera el ritmo de disipación de calor. Esto permite aplicarla a las medidas de caudal y conductividad calorífica. Si la velocidad de extracción de calor es fija, el termistor es sensible a la potencia eléctrica de entrada y entonces se puede aplicar al control de nivel de tensión o de potencia. 276 Característica corriente-tiempo para una determinada resistencia en serie con el termistor. Figura 24. 7 Curva Corriente-Tiempo Si la resistencia disminuye, las curvas se desplazan hacia arriba. Se observa que el autocalentamiento está sometido a una constante de tiempo que supone un retardo entre la tensión aplicada y el instante en que se alcanza el valor de corriente estacionario. Esta característica se aprovecha en los circuitos de retardo y para la supresión de transitorios. Para las PTC hay dos tipos de comportamiento según la composición y el dopado. Las de tipo cerámico presentan un cambio brusco de resistencia cuando se alcanza la temperatura de Currie de la forma indicada en la figura. TIPOS. Las NTC se fabrican a base de mezclar y sinterizar óxidos dopados de metales como el níquel, cobalto, manganeso, hierro y cobre. El proceso se realiza en una atmósfera controlada dándoles la forma y tamaño deseados. La proporción de óxidos determina la resistencia y el coeficiente de temperatura. 277 Figura 24. 8 Termistores NTC Distintas formas de los termistores NTC La principal característica de este tipo de resistencias es que tienen una sensibilidad del orden de 10 veces mayor que las metálicas y aumentan su resistencia al disminuir la temperatura. Estos semiconductores están constituidos por óxidos metálicos, tales como Mg O, Mg Al O, Mn O, Fe O, Co O, Ni O, Zn Ti O. Los termistores se fabrican por sintetización del semiconductor en polvo, lo que permite preparar resistencias del valor más adecuado y de tamaño reducido, del orden de milímetros. Este procedimiento de preparación, junto a sus características eléctricas, hace de los termistores elementos que pueden realizar la medida de temperaturas en una región muy reducida, casi puntual, y además debido a que su calor específico es pequeño, ofrecen una velocidad de respuesta muy elevada. La estabilidad de un termistor depende de su preparación y de las condiciones de utilización. El rango de utilización de los termistores se extiende hasta temperaturas cercanas a la del helio líquido pero sólo puede subir hasta unos 300 °C. Hay que tener en cuenta que la temperatura de licuación de estos materiales es bastante baja en comparación con los metales. 278 Como contrapartida, resulta necesario calibrar cada uno de los termistores, pues no son intercambiables los valores de uno a otro elemento. En general tienen una tolerancia del 10 % de su valor nominal. Las PTC de conmutación están basadas en titanato de bario al que se añade titanato de plomo o de circonio para determinar la temperatura de conmutación. Hay modelos entre -100 ° y 350°C. Las PTC de medida están basadas en silicio dopado. Las formas en que se presentan las NTC son múltiples, y cada una de ellas está orientada a un grupo concreto de aplicaciones. Las de "gota", "escama" y "perla" se prefieren para aplicaciones de medida de temperatura, mientras que las de "disco", "arandela" y "varilla" son aptas para la compensación y control de temperatura y para aplicaciones con autocalentamiento, como se vera mas tarde. ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS Resistencia / Temperatura La relación R/T del termistor no es en absoluto lineal y existen varias aproximaciones que dependen de los parámetros del proceso. Tensión / Corriente Describe la variación de la corriente del termistor en función de la tensión aplicada. Podemos diferenciar tres secciones: o Zona óhmica. dV/dI = R o Incremento no lineal. o Zona de pendiente negativa. TERMISTORES PTC EN DETALLE Los termistores PTC son resistencias (aumenta la temperatura, aumenta la resistividad) con un coeficiente de temperatura positivo y con un valor alto para dicho coeficiente. Las diferencias con las NTC son: • El coeficiente de temperatura de un termistor PTC es único entre unos determinados márgenes de temperaturas. Fuera de estos márgenes, el coeficiente de temperatura es cero o negativo. • El valor absoluto del coeficiente de temperatura de los termistores PTC es mucho más alto que el de los termistores NTC. 279 • Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, incluyendo limitación de corrientes, como sensor de temperatura, para desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. • También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardo en circuitos, termostatos, y como resistores de compensación. TERMISTORES NTC EN DETALLE Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura. Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc. La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial (no cumple la ley de Ohm). Dicha relación cumple con la fórmula siguiente: R = A•e B T Ec. (1.20) Donde: A y B son constantes que dependen del resistor. La curva nos muestra esa variación. Figura 24. 9 Curva de Resistores según Temperatura. 280 La característica tensión-intensidad (V/I) de un resistor NTC presenta un carácter peculiar, ya que cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R I2) será demasiado pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la característica la relación tensiónintensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm. Si seguimos aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico. Ahora nos encontramos pues, en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensión corresponden aumentos de intensidad. Figura 24. 10 Curva Intensidad APLICACIONES DE TERMISTORES Existen tres grupos de aplicaciones: • Aplicaciones en las que la corriente que circula por ellos, no es capaz de producirles aumentos apreciables de temperatura y por tanto la resistencia del termistor depende únicamente de la temperatura del medio ambiente en que se encuentra. • Aplicaciones en las que su resistencia depende de las corrientes que lo atraviesan. 281 • Aplicaciones en las que se aprovecha la inercia térmica, es decir, el tiempo que tarda el termistor en calentarse o enfriarse cuando se le somete a variaciones de tensión. Las aplicaciones de los termistores también se pueden dividir entre las que están basadas en un calentamiento externo del termistor, y las que se basan en calentarlo mediante el propio circuito de medida. Están entre estas última las medidas de caudal, nivel y vacío y el análisis de la composición de gases, todos ellos son casos en que varía la conductividad térmica del medio alrededor del termistor, y también el control automático de volumen y potencia, la creación de retardos de tiempo y la supresión de transitorios. PROTECCION DE MOTORES POR TERMISTORES Figura 24. 11 Curva protección de Motores 282 Figura 24. 12 Termistor en el Bobinado del Motor 4.2.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • ¿Cuál es la función de la protección contra sobrecargas? • ¿Cuáles son los dispositivos de protección para sobrecarga que existen? • ¿Qué es un relé de sobrecarga? ¿Cómo Funciona? • ¿Cómo es el funcionamiento del relé electrónico y cual es su ventaja sobre el mecánico? • ¿Explique que es un termistor? • ¿Qué es un PTC? Explique. • ¿Qué es un NTC? Explique. • ¿Cuál es el mejor dispositivo para protección contra sobrecarga? 283 4.2.4 MATERIALES Y EQUPOS REQUERIDOS • 3 Fusibles de acompañamiento. • 1 Relé de sobrecarga trifásico. • Un motor trifásico 208 v. • Cable del calibre adecuado para la corriente de arranque del motor. • Juego de herramientas (kit). 4.2.5 PROCEDIMIENTO Aunque los propios fusibles presentan, naturalmente, la protección de cortocircuitos o de corriente máxima ruptura, su protección contra sobrecargas esta algo limitada. Los relés de sobrecarga están proyectados para funcionar desde el 110 al 250 por ciento de sobrecarga con corrientes máximas de ruptura de hasta 10 veces la corriente nominal. El tiempo de operación del relé de máxima varía inversamente con la corriente de sobrecarga. Esta práctica consiste en el armado del siguiente circuito combinación de fusibles con rele de sobrecarga: Figura 24. 13 Diagrama de arranque motor trifásico. 284 REALIZAR LAS SIGUIENTES MEDICIONES: Tabla 4.2 Mediciones a Realizar MEDICION A REALIZAR. VALOR MEDIDO VOLTAJE EN BORNES DEL MOTOR EN EL ARRANQUE VOLTAJE EN BORNES DEL MOTOR EN FUNCIONAMIENTO CORRIENTE EN FASE A EN ARRANQUE CORRIENTE EN FASE B EN ARRANQUE CORRIENTE EN FASE C EN ARRANQUE CORRIENTE EN FUNCIONAMIENTO 4.2.6 CUESTIONARIO • ¿Qué protege el fusible durante una falla? • ¿Qué protege el relé durante una falla? • ¿Por qué es mejor la combinación de estos dos tipos de protecciones que la utilización de un solo tipo? • ¿Si hubiera un cortocircuito, en el diagrama de conexiones, que sucedería con las protecciones? 4.2.7 ANEXOS RELE TERMICO DE SOBRECARGA. Figura 24. 14 Relé Térmico 285 4.3 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 3. MOTORES ELECTRICOS. CONEXION DE MOTORES DE 6 Y 9 PUNTAS. 4.3.1 OBJETIVOS • Conocer los motores eléctricos de corriente alterna de 6 y de 9 puntas. • Aprender la correcta conexión de motores eléctricos de 6 y de 9 puntas para obtener su máxima eficiencia. • Identificar la mejor forma de conectar motores de 6 y de 9 puntas para obtener el giro deseado de éste. • Conocer la distribución interna de las bobinas de los motores de 6 y de 9 puntas. 4.3.2 EXPOSICION Protección de Motores. Un guarda motor es un disyuntor magneto-térmico, especialmente diseñado para la protección de motores eléctricos. Este diseño especial proporciona al dispositivo una curva de disparo que lo hace más robusto frente a las sobre intensidades transitorias típicas de los arranques de los motores. El disparo magnético es equivalente al de otros interruptores automáticos pero el disparo térmico se produce con una intensidad y tiempo mayores. Su curva característica se denomina D o K. Las características principales de los guardamotores, al igual que de otros interruptores automáticos magneto-térmicos, son la capacidad de ruptura, la intensidad nominal o calibre y la curva de disparo. Proporciona protección frente a sobrecargas del motor y cortocircuitos, así como, en algunos casos, frente a falta de fase. Los guardamotores son adecuados para el arranque de motores a tensión plena, ofreciendo protección contra sobrecargas y cortocircuitos, por lo que no requiere de Fusibles o Interruptores adicionales, a menos de que se requiera incrementar la capacidad interruptiva para la que fueron diseñados. Los guardamotores cuentan con un relé térmico ajustable que permite ajustar la protección contra sobrecargas en función a la corriente nominal del motor. Generalidades. Motor eléctrico es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos. Un motor opera primordialmente en base a dos principios: el de Inducción, descubierto por Michael Faraday en 1831; que señala que si un conductor se mueve a través de un campo magnético o 286 está sujeto en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio que André Ampére observó en 1820, en el que establece: que si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica o f.e.m. (fuerza electromotriz), sobre el conductor. Tipos y características. Existen básicamente tres tipos de motores eléctricos: • Los motores de corriente directa: se utilizan en casos en que es importante el poder regular continuamente la velocidad del motor, además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías. Este tipo de motores debe de tener en el rotor y el estator el mismo número de polos y el mismo número de carbones. Los motores de corriente directa pueden ser de tres tipos: o Serie o Paralelo o Mixto • Los motores de corriente alterna: son los tipos de motores más usados en la industria, ya que estos equipos se alimentan con los sistemas de distribución de energías “normales”. De acuerdo a su alimentación se dividen en tres tipos: • Monofásico (1 fase) • Bifásicos (2 fases) • Trifásicos (3 fases) • Los motores universales: tienen la forma de un motor de corriente continua, la principal diferencia es que está diseñado para funcionar con corriente alterna. El inconveniente de este tipo de motores es su eficiencia, ya que está baja (del orden del 51%), pero como se utilizan en máquinas de pequeña potencia, ésta no se considera importante, además, su operación debe ser intermitente, de lo contrario, éste se quemaría. Estos motores son utilizados en taladros, aspiradoras, licuadoras, etc. Partes fundamentales de un motor eléctrico. Dentro de las características fundamentales de los motores eléctricos, estos se hayan formados por varios elementos, sin embargo, las partes principales son: el estator, la carcaza, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes. No obstante, un motor puede funcionar solo con el rotor y el estator. 287 Figura 25. 1 Motor Eléctrico. Características particulares de los motores eléctricos. Los parámetros de operación de un motor designan sus características, es importante determinarlas, ya que con ellas conoceremos los parámetros determinantes para la operación del motor. Las principales características de los motores de CA son: • Potencia • Voltaje • Corriente: corriente nominal, corriente de arranque, corriente de vacío, corriente a rotor bloqueado. • Revoluciones por minuto o velocidad angular. • Factor de potencia • Factor de servicio • Número de fases • Par o torque: par nominal, par de arranque, par máximo • Frecuencia • Deslizamiento • Eficiencia. Motores trifásicos. Diagramas de conexión. Todos los motores trifásicos están construidos internamente con un cierto número de bobinas eléctricas que están devanadas siempre juntas, para que conectadas constituyan las fases que se conectan entre sí, en cualquiera de las formas de conexión trifásicas, que pueden ser: 288 • Delta • Estrella • Estrella-delta Delta Los devanados conectados en delta son cerrados y forman una configuración en triángulo. Se pueden diseñar con seis (6) o nueve (9) terminales para ser conectados a la línea de alimentación trifásica. Cada devanado de un motor de inducción trifásico tiene sus terminales marcadas con un número para su fácil conexión. En la siguiente figura, se muestra un motor de 6 terminales con los devanados internos identificados para conectar el motor para su operación en delta. Las terminales o puntas de los devanados se conectan de modo que A y B cierren un extremo de la delta (triángulo), también B y C, así como C y A, para de esta manera formar la delta de los devanados del motor. Figura 25. 2 Conexión Delta 6 Puntas Los motores de inducción de jaula de ardilla son también devanados con nueve (9) terminales para conectar los devanados internos para operación en delta. Se conectan seis (6) devanados internos para formar una delta cerrada, tres devanados están marcados como 1-4-9, 2-5-7 y 3-6-8, en éstos. Los devanados se pueden bobinar para operar a uno o dos voltajes. 289 Figura 25. 3 Conexión Delta 9 Puntas Estrella Los devanados de la mayoría de los motores de inducción de jaula de ardilla están conectados en estrella. La conexión estrella se forma uniendo una terminal de cada devanado, las tres terminales restantes se conectan a las líneas de alimentación L1, L2 y L3. Los devanados conectados en estrella forman una configuración en Y. Figura 25. 4 Conexión Estrella 6 Puntas Un motor conectado en estrella con nueve (9) terminales, tiene tres puntas en sus devanados conectadas para formar una estrella (7-8-9). Los tres pares de puntas de los devanados restantes, son los número 1-4, 2-5 y 3-6. Los devanados se pueden conectar para operar en bajo o alto voltaje. Para la operación en bajo voltaje, éstos se conectan en paralelo; para la operación en alto voltaje, se conectan en serie. 290 Figura 25. 5 Conexión Estrella 9 Puntas Conexiones para dos voltajes. Algunos motores trifásicos están construidos para operar en dos voltajes. El propósito de hacer posible que operen con dos voltajes distintos de alimentación, y tener la disponibilidad en las líneas para que puedan conectarse indistintamente. Comúnmente, las terminales externas al motor permiten una conexión serie para el voltaje más alto y una conexión doble paralelo para la alimentación al menor voltaje. Diagramas de motores de 6 y de 9 puntas. Figura 25. 6 Conexión de Motores con 6 puntas 291 Figura 25. 7 Conexión de Motores con 9 Puntas 292 4.3.3 PRUEBA DE CONOCIMIENTOS. • Mencione y explique cada de las partes fundamentales que componen a un motor eléctrico. • Explique cada uno de los diagramas de conexión de las bobinas internas de los motores. • ¿Cómo se forma una delta cerrada en las bobinas de un motor de nueve puntas? • ¿Cómo se forma una estrella con los devanados de un motor de seis puntas? 4.3.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS • Un motor eléctrico de seis (6) puntas. • Un motor eléctrico de nueve (9) puntas. • Un juego de bananas. • Multímetro. • Amperímetro. • Un juego de desarmadores. 4.3.5 PROCEDIMIENTO CONEXIÓN DE MOTOR ELECTRICO DE 6 PUNTAS. Utilizando el motor de 6 puntas que se encuentra en el Laboratorio, y haciendo uso de los diagramas eléctricos de conexión de los devanados internos de un motor que se encuentran en esta guía de Trabajo, realizar el arranque del motor mediante conexión estrella y luego delta. • Primero, realice la conexión de las bobinas internas del motor, para una alimentación de 220V, para conexión en delta. Refiérase a la parte teórica de esta guía de trabajo. Tome nota de las conexiones realizadas e identifique si las bobinas se encuentran conectadas en serie o en paralelo para el voltaje especificado. • Luego, realice la conexión de las bobinas internas del motor, para una alimentación de 440V, para una configuración en estrella. Refiérase a la parte teórica de esta guía de trabajo. Tomar nota de las uniones de los bornes e identificar la razón porque se realiza de esa manera. Explicar cuales bobinas se encuentran en serie y cuales en paralelo. • CONEXIÓN DE MOTOR ELECTRICO DE 9 PUNTAS. Haciendo uso del motor de 9 puntas. Debe realizar un arranque directo en una configuración en delta para una alimentación de 220V. Antes de realizar alguna conexión, leer nuevamente la información teórica presentada en esta guía. • Identificar todos los bornes que posee este tipo de motor y averiguar la distribución interna de las bobinas (puede consultar con su instructor). 293 • Dibujar un esquema guía de la conexión de bobinas para un motor de 9 puntas. • Proceda a la conexión, identificando claramente que bornes está uniendo y conociendo de antemano la razón de porque lo está haciendo. • ¿Se encuentran las bobinas en serie o en paralelo? Haciendo uso del motor de 9 puntas. Debe realizar un arranque directo en una configuración en estrella para una alimentación de 440V. Antes de realizar alguna conexión, leer nuevamente la información teórica presentada en esta guía. • Antes de proceder a la conexión, verificar la ubicación de los bornes. Si no tiene clara la razón de porque debe unir esos bornes, pregunte a su instructor y refiérase a la parte teórica de esta guía de trabajo, o a su libreta de apuntes de clase. • ¿Debe conectar las bobinas en serie o en paralelo? • Realice la conexión y verifique el funcionamiento. 4.3.6 CUESTIONARIO. • En el motor de seis (6) puntas, para una conexión en delta. ¿Puede alimentar con 440V? Explique y fundamente su respuesta. • Y en una configuración en estrella para un motor de seis puntas. ¿Puede realizarse una alimentación a 220V? • ¿Puede decirse que estos motores son funcionales? ¿En qué áreas de la industria salvadoreña, se les puede encontrar? • La conexión de bobinas internas del motor, ya sea en serie o paralelo. ¿De que depende? Explique y fundamente su respuesta. 294 4.3.7 ANEXOS Figura 25. 8 Partes de un Motor. 295 4.4 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 4. MANTENIMIENTO DE MOTORES ELECTRICOS. 4.4.1 OBJETIVOS • Saber cuáles son los mantenimientos que deben prestarse a los motores eléctricos, ya sean éstos preventivos y/o correctivos. • Conocer métodos específicos que deben seguirse para dar un correcto mantenimiento a la maquinaria industrial. • Identificar en qué momento debe realizarse un mantenimiento preventivo y/o correctivo. 4.4.2 EXPOSICION Protección de Motores. Un guarda motor es un disyuntor magneto-térmico, especialmente diseñado para la protección de motores eléctricos. Este diseño especial proporciona al dispositivo una curva de disparo que lo hace más robusto frente a las sobre intensidades transitorias típicas de los arranques de los motores. El disparo magnético es equivalente al de otros interruptores automáticos pero el disparo térmico se produce con una intensidad y tiempo mayores. Su curva característica se denomina D o K. Las características principales de los guardamotores, al igual que de otros interruptores automáticos magneto-térmicos, son la capacidad de ruptura, la intensidad nominal o calibre y la curva de disparo. Proporciona protección frente a sobrecargas del motor y cortocircuitos, así como, en algunos casos, frente a falta de fase. Los guardamotores son adecuados para el arranque de motores a tensión plena, ofreciendo protección contra sobrecargas y cortocircuitos, por lo que no requiere de Fusibles o Interruptores adicionales, a menos de que se requiera incrementar la capacidad interruptiva para la que fueron diseñados. Los guardamotores cuentan con un relé térmico ajustable que permite ajustar la protección contra sobrecargas en función a la corriente nominal del motor. MANTENIMIENTO PREVENTIVO Objetivo del mantenimiento preventivo. El principal objetivo del mantenimiento, es garantizar que el equipo se encuentre en óptimas condiciones de operación, y aumentar su vida útil. El mantenimiento empieza en la selección del motor. 296 Mantenimiento Preventivo de un Motor de Corriente Alterna. El mantenimiento preventivo ha adquirido una enorme importancia, ya que al considerarlo como parte de la conservación de los equipos, con un enfoque a la productividad, permite obtener mayores y mejores beneficios. En este contexto, el llamado mantenimiento preventivo juega un papel muy importante, ya que cambia la función de simplemente reparar al equipo o reemplazar al que se considera desechable por el estado que guarda. Ahora, se trata de diagnosticar el estado que tiene un equipo antes de que falle, y de esta manera evitar su salida de producción, o bien contar con las técnicas de reparación apropiadas cuando hubiera que hacer esta función. El mantenimiento preventivo abarca todos los planes y acciones necesarias para determinar y corregir las condiciones de operación que pueden afectar a un sistema, maquinaria o equipo, antes de que lleguen al grado de mantenimiento correctivo, considerando la selección, la instalación y la misma operación. El mantenimiento preventivo bien aplicado disminuye los costos de producción, aumenta la productividad, así como la vida útil de la maquinaria y equipo, obteniendo como resultado la disminución del paro de máquinas. Las actividades principales del mantenimiento preventivo son: • La inspección periódica con el fin de encontrar las causas que provocarían los paros imprevistos. • Conservar la planta, anulando y reparando aspectos dañinos cuando apenas comienzan. Fallas posibles en su instalación. Una carga excesiva puede llevar rápidamente a una falla en el motor. Es posible que se seleccione correctamente al motor para su carga inicial; sin embargo, un cambio en su carga o en el acoplamiento de accionamiento, se manifestará como una sobrecarga en el motor. Los rodamientos o baleros comenzaran a fallar, los engranes están expuestos a presentar fallas en los dientes, o bien se presentará algún otro tipo de fricción que se manifieste como sobrecarga, el motor demanda más corriente, lo cual incrementa la temperatura del mismo, reduciendo la vida del aislamiento. Los problemas de baleros y rodamientos son una de las causas más comunes de fallas en los motores, también la alineación errónea de éstos y la carga, malos acoplamientos por poleas y bandas, o bien errores en la aplicación de engranes o piñones, son causas de fallas mecánicas. Por otro lado se debe hacer un correcto balanceo dinámico para evitar problemas de vibración. Así mismo, una incorrecta alimentación de voltaje al motor, puede reducir la vida o causar una falla rápida si la desviación de voltaje es excesiva. Un voltaje bajo soporta una corriente mayor que la normal. Si el voltaje decrece en una forma brusca, se presenta una corriente excesiva que 297 sobrecalienta al motor. Un voltaje alto en la línea de alimentación a un motor reduce las pérdidas, pero produce un incremento en el flujo magnético, con un consecuente incremento de las pérdidas en el entrehierro. Lubricación. Para la buena lubricación se debe utilizar el aceite o grasa recomendado, en la cantidad correcta. Los distribuidores de lubricantes pueden ayudar si hay un problema con el grado de lubricante, y, en especial para los cojinetes que requieren grasa para alta temperatura. Hay que quitar o expulsar toda la grasa vieja antes o durante la aplicación de la grasa nueva. El espacio total para grasa se debe llenar al 50% de su capacidad para evitar sobrecalentamiento por el batido excesivo. En los motores en donde los cojinetes son lubricados con aceite, debe tenerse sumo cuidado con no exceder la cantidad recomendada, debido a que el exceso de aceite puede ocasionar que se quemen los contactos de los interruptores internos de arranque. La quemadura total de los contactos puede impedir que se cierre el devanado auxiliar o de arranque, o que los contactos se suelden entre sí. Lubricación a los rodamientos y cojinetes. Los rodamientos que operan en condiciones de velocidad y de temperaturas moderadas, generalmente, se lubrican con grasa, ya que es fácilmente retenida. También tiende a crear un sello para mantener fuera la suciedad y materias extrañas. La lubricación por aceite se aplica habitualmente a rodamientos que operan a altas velocidades y temperaturas. Clasificación del mantenimiento preventivo. El mantenimiento preventivo consiste en una serie de trabajos que es necesario desarrollar para evitar que la maquinaria pueda interrumpir el servicio que proporciona, básicamente, se divide en tres elementos fundamentales: • Selección El mantenimiento empieza en la selección del motor. El grado de selección y aplicación incorrecta de un motor puede variar ampliamente, por lo que es necesario, que se seleccione correctamente el tamaño apropiado del motor de acuerdo a la carga. Los ciclos de trabajo son los que más dañan a los motores. Cuando no son seleccionados de forma apropiada, los arranques, los paros y frenados bruscos, así como los periodos de aceleración largos, conducen a fallas en el motor. 298 • Instalación Los errores en la instalación de los motores pueden ser una de las causas de falla. Algunas ocasiones, el tamaño de los tornillos o anclas de montaje y sujeción no es el apropiado, o bien se tienen problemas de alineación; lo que conduce a problemas de vibraciones con posibles fallas en los rodamientos o hasta en el eje del rotor. • Montaje Es posible que se seleccione correctamente al motor para su carga inicial, y que su instalación haya sido adecuada, sin embargo, un cambio en su carga o en el acoplamiento de accionamiento, se manifestará como una sobrecarga en el motor. Cuando se presenta una sobrecarga el motor demanda más corriente, lo cual incrementa la temperatura del mismo, reduciendo la vida del aislamiento. El mantenimiento preventivo es importante en cualquier instalación, pero es solo función, y no debe interferir con la función de la línea de producción. La interferencia con la producción debe ser mínima, y es obligatoria la cooperación de mantenimiento preventivo. • Inspección. La mayoría de los problemas comunes que presentan los motores eléctricos se pueden detectar por una simple inspección, o bien efectuando algunas pruebas. Este tipo de pruebas se les conoce como pruebas de diagnóstico o verificación, se inician con la localización de fallas con las pruebas más simples, y, el orden en que se desarrollan normalmente tiene que ver con el supuesto problema. • Alcances del mantenimiento. El mantenimiento preventivo sigue la curva inversa de las utilidades decrecientes. Cuando se da un mantenimiento excesivo al equipo eléctrico, el costo se puede volver prohibitivo; pero si se descuida por completo el mantenimiento, los resultados serán fallas prematuras y reparaciones costosas. Costo de mantenimiento contra costo de la máquina. En muchas empresas acumulan los costos de mantenimiento y los contabilizan como una relación contra las utilidades totales, las facturaciones totales o los costos totales. Aunque esto pueda servir como guía entre industrias similares, el único método lógico y los efectos reales se deben considerar como: 299 Vibraciones. Hay tendencia a asociar la vibración del motor al equilibrio de sus partes giratorias. Aunque es verdad que un desequilibrio del rotor propicia la vibración del motor, un motor equilibrado puede vibrar por diversas razones. En máquinas de corriente alterna, una causa de las vibraciones puede ser el desequilibrio magnético. Las fuerzas que actúan en el entrehierro entre el estator y el rotor tienden a aproximarlos y producen vibraciones con el doble de frecuencia de alimentación. Equipos de prueba para mantenimiento preventivo. Los aparatos e instrumentos utilizados en la detección de fallas y reparación de motores eléctricos son muy variados, como: el multímetro, el megaóhmetro, el termómetro, comparador de carátula y nivel de burbuja, y otros aparatos que está expresamente diseñados para estas operaciones, como son: la lámpara de prueba, las brújulas, el zumbador o Growler y el tacómetro. MANTENIMIENTO CORRECTIVO. El mantenimiento correctivo es una técnica de la ingeniería, que consiste en realizar una serie de trabajos de restauración, que son necesarios cuando la maquinaria, aparatos o instalaciones se estropean, y es necesario recuperarlos. Su reparación es lo que llamamos mantenimiento correctivo. Alcances del mantenimiento correctivo. El mantenimiento correctivo, comprende la compensación de los daños sufridos por fallas incipientes, a una maquinaria o un equipo, y todos los trabajos que resulten pertinentes para su reparación; su aplicación se da cuando el equipo ha dejado de funcionar y es necesario repararlo. Mantenimiento correctivo típico: • Reemplazo de rodamientos. Cuando se debe reemplazar un rodamiento es recomendable seleccionar uno precisamente igual. Si hay que usar uno de otra marca, debe de consultarse el catálogo del fabricante, de modo que se utilice un rodamiento con las mismas especificaciones. • Reemplazo de bobinas Algunas fallas conducen a la presencia de cortocircuito, que finalmente se traduce en fallas a los devanados, que se detectan mediante pruebas. Una vez identificado el problema de una falla en 300 los devanados, se procede a tomar las medidas para la reparación de los mismos, es decir el embobinado o rebobinado. • Desarmado del motor y toma de datos En ciertas ocasiones para mantenimiento, y en otras para reparación, se requiere desarmar los motores eléctricos, por lo que es conveniente dar algunas indicaciones para facilitar este trabajo. Se recomienda seguir las siguientes reglas generales: • Desconectar la alimentación del motor (desenergizar) • Tomar nota (elaborar un diagrama) de las conexiones del motor para evitar errores cuando se vuelva a poner en servicio. • Quitar todo el equipo auxiliar que no permita el acceso libre al motor. • Analizar si se requiere o no remover el motor del lugar de su instalación. • Seguir preferentemente las recomendaciones del fabricante para su montaje y maniobras a realizar. 4.4.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • Explique por qué considera que es importante el mantenimiento preventivo. • ¿Cuáles son las actividades principales del mantenimiento preventivo? • ¿Por qué no debe excederse la cantidad de aceite al lubricar cojinetes? • Explique los elementos fundamentales del mantenimiento preventivo. • Explique la siguiente relación: 4.4.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS • Un motor trifásico. • Destornilladores. • Martillo de bola. • Bloque de madera. • Juego de llaves inglesas. • Cuaderno de notas. • Viñetas. 301 Figura 26. 1 Motor Eléctrico 4.4.5 PROCEDIMIENTO Favor seguir todas las indicaciones que su instructor imparta. Rotular todas las partes extraídas del motor para no perder su localización original, si no tiene el conocimiento de un procedimiento, no dude en preguntar a su instructor; ya que él está capacitado para responder a sus interrogantes. DESARMADO DE UN MOTOR Y TOMA DE DATOS. En ciertas ocasiones para mantenimiento y en otras para reparación, se requiere desarmar los motores eléctricos, por lo que es conveniente dar algunas indicaciones. Algo que es básico al desarmar un motor, es la colocación de marcas entre las tapas y el estator, a fin de conservar la misma posición para el armado posterior. Después de marcar las tapas y la carcasa del motor, se puede proceder al desarmado. Se recomienda seguir las siguientes precauciones: • No usar martillos metálicos directamente sobre cualquier parte del motor, ya que el impacto puede romper o fracturar al hierro fundido, o bien, puede deformar otras partes. • No usar desarmadores para forzar las tapas al querer separarlas, esto puede producir marcas o daño. 302 • Estar preparado para registrar el procedimiento de desarmado y arreglar la disposición de las partes en un orden que identifique su armado. • Tener listo un cuaderno de notas y lápiz para anotar como están las conexiones internas de los devanados. Procedimiento para el desarmado del motor. • Si el motor tiene escobillas, quitarlas de los porta escobillas. • Después de los pasos anteriores, se está en posición de retirar las tapas de la carcasa. Tan pronto como se separen las tapas, el rotor o armadura queda soportado por el estator. Se deberán tomar precauciones para evitar que el rotor sufra daño, usando soportes o caballetes, entre más grande es el motor, se tiene mayor riesgo de daño. • Usar un martillo de bola (preferentemente) y un bloque de madera (para proteger contra daño). • Remover las tapas de ambos lados del motor, retirando de la flecha lentamente y procurando previamente haber desconectado todos los alambres de circuitos que pueda haber (por ejemplo, el switch centrífugo en los motores de arranque con capacitor). • En la medida que se continúa con el proceso de desarmado, registrar todas las partes que se retiran y el orden en que van. Elaborar un diagrama para el alambrado. Hacer una lista de colores, de acuerdo a los códigos para cada terminal, o bien usar la numeración convencional. • Una vez se han retirado las tapas del eje del motor, se puede retirar el rotor, teniendo cuidado de que no se golpee contra el estator o los devanados del estator para evitar daños; por lo que dependiendo del tamaño del motor (en consecuencia del rotor), se deben adoptar distintas formas de soporte del rotor. 303 Figura 26. 2 Motor Eléctrico Desarmado 4.4.6 CUESTIONARIO. • Describa las partes que observó y que son componentes internos del motor eléctrico que usted desarmó. • ¿Cuáles fueron las consideraciones de seguridad personal que debió tomar en cuenta a la hora de desarmar y armar el motor? • ¿Por qué es importante el uso de viñetas para identificar las partes que se separan de un equipo? • Explique con sus propias palabras todo el proceso de desarmado de un motor eléctrico. • ¿Qué podría suceder si el motor se arma de manera errónea? 304 4.4.7 ANEXOS Equipo de prueba para mantenimiento preventivo. Figura 26. 3 Multímetro Figura 26.4 Niveles de Burbuja Figura 26. 4 Growler 305 4.5 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 5. FALLAS EN MOTORES ELECTRICOS. 4.5.1 OBJETIVOS • Conocer los distintos tipos de fallas que pueden presentarse a la hora de trabajar con motores eléctricos. • Conocer métodos específicos para eliminar distintos tipos de fallas que se presentan en los motores eléctricos. • Conocer cuáles son las partes que comúnmente fallan en los motores eléctricos. 4.5.2 EXPOSICION Introducción. El personal de mantenimiento ha estado sumamente limitado al tratar de diagnosticar fallas en motores eléctricos. Las herramientas más comunes han sido un medidor de aislamiento (megger) y un ohmímetro. Aunque recientemente el análisis de vibraciones ha ayudado a determinar fallas de tipo eléctrico en motores, no se puede asumir que un pico a 2 veces la frecuencia de línea es una falla de tipo eléctrico. Se deben de tomar en cuenta otras variables antes de sacar un motor de servicio. Aun con el megger muchas anomalías pueden ser pasadas por alto. El determinar problemas en motores debe ser confiable y seguro, por esto un análisis de motores eléctricos debe contener resultados en las siguientes zonas de falla: Circuito de Potencia, Estator, Aislamiento, Rotor, Entrehierro y Calidad de Energía. Las pruebas a realizar deben de contemplar pruebas tanto con motor detenido como con motor en marcha. Existen algunos tipos de problemas muy comunes en motores eléctricos que no pueden diagnosticarse COMPLETAMENTE mediante el análisis tradicional de la vibración entre los que se encuentran: • Problemas en barras y anillos de cierre del rotor. • Porosidades en la fundición de rotores fundidos. • Irregularidades en el entrehierro estáticas y dinámicas. • Desequilibrio en el campo magnético. Figura 27.1 Anillos del Rotor 306 Hay una forma de predecir este tipo de fenómenos. Es un programa de diagnóstico para motores de inducción de corriente alterna que detecta y evalúa los daños, para poder realizar las acciones adecuadas tendentes a corregir los defectos mencionados anteriormente. También se detectan defectos en el entrehierro que dan lugar a elevados niveles de excentricidad dinámica o estática. Esto se consigue analizando la presencia en la zona de alta frecuencia en el espectro de corriente. Zonas de fallo del motor • Rotor. • Estator. • Entrehierro. • Circuito de Potencia. • Calidad de alimentación. • Aislamiento. Circuito de Potencia. Generalmente se establece desde el Centro de Control del Motor (CCM) hasta la caja de bornes del mismo, e involucra a todos los conductores con sus bornes, interruptores, protecciones térmicas, fusibles, contactores y cuchillas. Se ha demostrado que los falsos contactos han sido la fuente de un 46% de las fallas en motores, por lo que aunque muchas veces el motor esté en excelente estado, este se instala en un circuito de potencia defectuoso, que a la postre lo daña. Los problemas de conexiones de alta resistencia (se oponen al paso de la corriente) son variados, entre ellos: • Generación de armónicas • Desbalance de voltaje • Desbalances de corriente Típicamente las conexiones de alta resistencia son causadas por: • Terminales corroídas • Cables sueltos • Barras sueltas • Prensa fusibles corroídos • Hilos abiertos • Conexiones entre aluminio-cobre • Diferentes tamaños de conductores 307 Uno de los métodos usados para detectar defectos en el circuito de potencia en un motor/generador trifásico es la medición de resistencia entre fases, es una prueba estática con motor detenido. En un equipo en buen estado las tres lecturas entre las fases deberían ser casi idénticas, su desbalance resistivo debe ser menor a un 5%. Dinámicamente, con motor energizado el circuito es evaluado completamente al detectarse desbalance de voltajes en cualquiera de las fases. Figura 27. 2 Falso Contacto Severo Otro de los métodos utilizados para complementar el diagnostico del circuito de potencia es la termografía IR, sin duda una de las técnicas más conocidas para detectar falsos contactos. Calidad de Energía. La calidad de energía ha sido ignorada en muchos casos por el personal de mantenimiento y sin duda es una zona de falla con mucha influencia en la vida de un motor. Existen varios factores involucrados en la calidad de energía; la distorsión armónica tanto de voltaje como de corriente, picos de voltaje, desbalances de voltaje y factor de potencia son algunos de estos. Sin embargo, con relación a las fallas en motores eléctricos nos concentramos en dos de estos factores: • Desbalance de voltaje Cuando los voltajes de línea aplicados a un motor no son equilibrados se desarrollan corrientes desbalanceadas en los devanados del estator, a estas se les conoce como corrientes de secuencia negativa y reducen el torque del motor. Se producen dos efectos importantes, aumenta la temperatura en el devanado y aumenta su vibración. Un aumento de la temperatura por encima de su valor permitido provocaría daños al aislamiento, y el aumento en los niveles de vibración provocaría en algún grado solturas mecánicas, rodamientos y aflojamiento de las bobinas. De acuerdo a NEMA ningún motor debe ser operado con desbalances de voltaje mayores a un 5%. • Armónicas 308 Con la popularidad de los “drives” de CA y CD para motores se crean distorsiones importantes en la forma de onda de voltaje, a estas se les conoce como armónicas. El parámetro más conocido es la distorsión armónica Total (THD, en inglés) en términos simples es el valor RMS de la señal con la frecuencia fundamental removida. O sea, una onda sinusoidal perfecta de 60 Hz tendría un THD de 0%. Cualquier otra onda presente junto con la fundamental se le considera distorsión armónica. Entonces, los armónicos son señales que distorsionan a la onda fundamental, tienen una forma sinusoidal y están presentes en múltiplos de la fundamental. Las armónicas existen en todos los sistemas trifásicos y son generadas por cargas no-lineales como: o Convertidores de potencia electrónicos: rectificadores y variadores de frecuencia. o Fluorescentes o Hornos de arco o UPS o Etc. Existen tres tipos de armónicas: • Secuencia positiva: crea un campo magnético en la dirección de rotación, por lo tanto ayuda al torque del motor. • Secuencia negativa: se opone a la rotación del motor e incrementa la demanda de corriente a una carga determinada. • Secuencia cero: no produce ningún trabajo, pero causa calentamiento y retorna al transportador de alimentación y sobrecarga al nuestro. Produce por lo tanto calentamiento en el transformador también. El fenómeno de las armónicas que más afecta para el caso de los motores eléctricos es el excesivo calor que se produce por las demandas de corriente anormales. Un motor diseñado para consumir a plena carga 150 A podría consumir 180 A si el THD es alto. Este aumento de corriente perfectamente podría no ser tolerado por el motor y provoca daños severos al aislamiento y posible colapso del mismo. Si este alto THD no es corregido, al instalarse un nuevo motor en este circuito, el fenómeno se repetirá y sería de nunca acabar, por esto un análisis de la calidad de energía que le llega a un motor es irremplazable. Existe un factor de reducción conocido como el factor de voltaje armónico (HVF, en inglés), el cual se utiliza para reducir la potencia del motor en presencia de un THD alto. 309 El estándar IEEE519- 1992 reconoce que son las cargas las que introducen armónicas al sistema y nos da ciertos límites que se deberían de manejar en las industrias. En este caso la distorsión armónica de voltaje es más importante, el THD para sistemas operando a menos de 69Kv debería ser no mayor a 5%. Aunque recomiendan que cada armónica de voltaje individual no exceda de un 3%. Una correcta identificación de las armónicas presentes en el circuito de distribución permitirá a los ingenieros de calidad de energía, diseñar filtros pasivos y activos para eliminar el efecto anteriormente discutido. Aislamiento. Cuando hablamos de la condición de aislamiento nos referimos a la resistencia que existe entre éste a tierra (RTG, en inglés). La RTG indica que tan limpio o sano esta un aislamiento. Para que se dé una falla a tierra, deben de ocurrir dos cosas. Primero debe crearse un camino de conducción a través del aislamiento. Conforme el aislamiento envejece se fisura y posibilita que se acumule material conductivo. Segundo, la superficie exterior del aislamiento se contamina de material conductivo y conduce suficiente corriente a la carcaza o núcleo del motor que está conectado a tierra. Hoy en día los sistemas de aislamiento han mejorado notablemente y son capaces de soportar mayores temperaturas sin sacrificar su vida esperada. La máxima temperatura de operación de un motor / generador depende principalmente de los materiales usados en su construcción, existen varias clases, pero las más usadas son: • Aislamiento clase B, temperatura máxima 130°C • Aislamiento clase F, temperatura máxima 155°C • Aislamiento clase H, temperatura máxima 180°C Dichas temperaturas máximas, son a las cuales el aislamiento podría colapsar. En termografía IR es posible detectar una falla en el aislamiento de un motor si se tiene la clase de aislamiento del mismo (dato de placa). Generalmente al medir la temperatura de la carcaza del motor, asumimos que el aislamiento está en 20°C más alto que ésta. Por ejemplo, si observamos que la temperatura de la carcaza de un motor clase B es de 120°C podría estar muy seguro que la temperatura del aislamiento está a por lo menos 140°C excediendo la temperatura máxima permitida par esa clase de aislamiento. El aislamiento pierde muy rápido sus propiedades al aumentar la temperatura, este mismo motor en vez de durar aproximadamente 15 años, duraría alrededor de 3 años. 310 La termografía IR es una herramienta muy útil para detectar un sobrecalentamiento en el motor, y aunque podría precisar el área donde se produce el calentamiento (corto entre espiras), sin embargo es todavía bastante limitada es su capacidad de indicar el porqué se produce éste. El determinar la causa raíz de una falla en el aislamiento de un motor, puede involucrar alguno de estas causas posibles: • Circuito de Potencia: Una conexión de alta resistencia, produce un voltaje de línea desbalanceada. • Armónicas: que introducen corrientes de secuencia negativa y sobrecalentando el devanado. • Ambiental: Contaminación del motor. Es fácil diagnosticar una falla en el aislamiento de un motor, pero se deberá realmente por esto?. Si se instala nuevamente el motor reparado o uno nuevo, es muy probable que la falla se repita. El IEEE basa los límites de aislamiento a una temperatura de 40°C. La norma a la cual hacemos referencia es la IEEE 43-2000. También IEEE indica que se debe de calcular el Polarización Index (PI), es el valor de aislamiento tomado a los 10 minutos entre el valor de 1 minuto, básicamente da una indicación de la pendiente del perfil del índice de polarización; un PI de 2.0 según IEEE es aceptable para aislamientos clases B, F y H. Estator. En un estator es importante el diagnosticar: los devanados, el aislamiento entre vueltas, juntas de soldado entre las espiras y el núcleo del estator o laminaciones. Tal vez, la falla más común es un corto entre vueltas, esto reduce la habilidad de producir un campo magnético balanceado. Esto a la vez trae otras consecuencias como un aumento en la vibración de la máquina, y por ende degradación del aislamiento y daños a los rodamientos del motor. Generalmente este tipo de cortos aumenta la temperatura y el corto se expande a un corto entre espiras y eventualmente destruye todo el motor. Aún más grave que ésta es la falla entre fases, un corto de este tipo acelera rápidamente la destrucción del motor. Fallas de este tipo pueden ocurrir varias veces en un motor y no resultan en una falla a tierra. Debido a esta razón, el utilizar solamente un megger como herramienta predictiva es insuficiente ya que este tipo de fallas pueden ser pasadas por alto. Si el núcleo del motor se llegase a dañar el reemplazo del motor sería total. El diagnóstico de esta zona de falla puede ser efectuada directamente en los terminales del motor o desde el Centro de Control de Motores (CCM). La prueba estática involucra mediciones de inductancia entre fases, para esto se envían señales de CA a alta frecuencia, y de calcula un desbalance inductivo. Un desbalance presente implica que 311 las fases producen campos magnéticos desbalanceados y que muy probablemente tiene cortos entre vueltas o espiras. También como parte de la prueba se toman valores de resistencia, si se excede un valor predeterminado indica que pueden existir conexiones de alta resistencia en el circuito hacia el motor o en las juntas de soldado. La prueba dinámica con motor energizado identifica una falla en el estator tomando mediciones de voltaje y corriente por fase y calculando la impedancia en cada una. Si una fase tiene problemas en los devanados, el desbalance de impedancia aumenta. Rotor. Cuando nos referimos a la condición de un rotor se deben de revisar; las barras, laminaciones y los anillos de cortocircuito. Un estudio mostró que un 10% de fallas en motores se debió al rotor. Una barra rota genera un calor intenso en la zona de ruptura y puede destruir el aislamiento cercano a las laminaciones y el devanado estatórico colapsara. Desdichadamente, muchas veces, los problemas en las barras del rotor no son fácilmente detectables con las tecnologías comunes y se obvia como causa-raíz. Hemos tenido la experiencia de muchas empresas que rebobinan varias veces un motor sin saber que la raíz del problema en el devanado estaba en el rotor. Dinámicamente se identifican las barras rotas en un análisis de corriente del motor, éste se desarrolla al tomar la señal corriente de las tres fases del motor y se pasa al dominio de la frecuencia (FFT). El análisis dinámico identifica una falla en el rotor como una banda lateral, a la frecuencia de línea a una frecuencia llamada frecuencia de paso de polo (Fp). Al utilizar el análisis dinámico para diagnosticar un problema en un rotor se tiene un alto nivel de confianza, especialmente cuando se tiene que sacar un motor importante de servicio. Excentricidad. El rotor de un motor / generador debe estar centrado, existe un claro entre éstos denominado “Air Gap”, si este Air Gap no está bien distribuido en los 360° del motor se producen campos magnéticos desiguales. Se ha discutido ampliamente el efecto adverso que provocan estos campos magnéticos desiguales que a la larga resultará en una falla en el aislamiento y falla en los rodamientos. Este problema se le conoce como excentricidad, existen básicamente dos tipos, la estática en la cual el rotor está descentrado pero fijo en un lugar generalmente este tipo de problemas es causado cuando los alojamientos de los roles están desalineados, por un inadecuado alineamiento o porque la carcaza del motor fue torcida cuando se instaló en su base. La ilustración muestra como es la excentricidad estática. 312 Figura 27. 3 Excentricidad Estática El otro tipo de excentricidad es la dinámica, y como resultado el rotor se balancea dentro del estator, por lo tanto la inductancia varía. La excentricidad dinámica es producida por una deflexión en el eje generalmente. Figura 27. 4 Excentricidad Dinámica La tecnología dinámica es de particular importancia para diagnosticar anomalías en aquellos motores que por razones del proceso productivo no pueden ser detenidos. Y la tecnología estática es vital para revisar aquellos motores que se dispararon por algún motivo y su puesta en funcionamiento es peligrosa para el motor. O para revisar aquellos motores que han sido reparados por un taller de reparación de motores y se quiere tener certeza de que están aptos para funcionamiento. Como se ha explicado ambas tecnologías son vitales. Tipos de ensayo. • Estáticos – Motor parado. • Dinámico – Motor en marcha. Ensayos generales. Asegurar que las conexiones están bien colocadas Calcular la resistencia a tierra (RTG) Calcular la capacidad a tierra (CGT) Calcular la resistencia entre fases y su desequilibrio 313 4.5.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • ¿Cuáles son los tipos de problemas que no pueden ser diagnosticados mediante el análisis tradicional de vibración? • Mencione las zonas de fallo del motor. • Diga que causa las conexiones de alta impedancia. • ¿Qué son las armónicas? Explique además que las genera. • ¿Es fácil diagnosticar una falla en un motor? Explique por qué. 4.5.4 MATERIALES Y EQUIPO REQUERIDOS • Un motor eléctrico. • Un contactor. • Un multímetro. • Un amperímetro. • Un juego de desatornilladores. • Un tacómetro. • Un guardamotor. • Fusibles. • Un juego de bananas. 4.5.5 PROCEDIMIENTO ANALISIS DE FALLAS EN UN MOTOR. Análisis del aislamiento. Hacer uso del motor eléctrico que se encuentra en el Laboratorio y de un multímetro. • Haciendo uso del multímetro, mida continuidad entre la carcasa del motor y las líneas de alimentación L1, L2 y L3 respectivamente. ¿El multímetro le marca continuidad entre algún punto? • Mida continuidad entre cada una de las fases. Explique si es la manera correcta para identificar el buen funcionamiento del aislamiento en los devanados del motor. 314 Análisis de vibración anormal en un motor eléctrico. • Realizar el arranque directo de un motor eléctrico, siguiendo el diagrama que se muestra a continuación. Si no está seguro de alguna conexión pregunte a su instructor. No energice el circuito sino hasta que su instructor le dé el aval. Figura 27. 5 Arranque Directo • Ahora que ha conectado y revisado el funcionamiento de su circuito; prosiga tratando de identificar si el motor presenta alguna deficiencia, por ejemplo, si el motor muestra alguna vibración, si es así, analice la razón y emita un juicio. • Haciendo uso del tacómetro, verifique la velocidad angular del eje. Y con los datos de placa que ya conoce obtenga los valores de: potencia y frecuencia. Realice una pequeña tabla con todos los datos del motor. 315 4.5.6 CUESTIONARIO. • Si algún punto entre las fases y la carcasa del motor presentan continuidad. ¿Significa que el aislamiento se encuentra en buenas condiciones? • ¿Qué pasa si una fase está unida a la carcasa del motor? Explique brevemente cómo reaccionaría el motor si se le energiza. • Si se mide la impedancia entre las fases de un motor eléctrico. ¿Debe presentarse continuidad entre ellas? • Si un motor presenta vibraciones anómalas. ¿A que puede deberse dicho evento? • ¿En qué rango de vibración puede considerarse el buen funcionamiento de un motor? 4.6.7 ANEXOS Figura 27. 6 Ensayos Generales 316 4.6 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No 6. ARRANCADOR DIRECTO, AUTOTRANSFORMADOR, ESTRELLA-DELTA Y SOFT STARTERS. 4.6.1 OBJETIVOS • Que el estudiante conozca los distintos tipos de arrancadores más utilizados en la industria. • Poder identificar ventajas y desventajas entre los distintos arrancadores mediante su comparación. • Conocer los diagrama de conexiones específicos para cada uno de los arrancadores. • Lograr escoger el tipo de arrancador adecuado para una necesidad en específico. 4.6.2 EXPOSICION Durante la puesta en tensión de un motor, la corriente solicitada es considerable y puede provocar una caída de tensión que afecte al funcionamiento de los receptores, especialmente en caso de insuficiencia de la sección de la línea de alimentación. En ocasiones, la caída puede llegar a ser perceptible en los aparatos de alumbrado. Para poner remedio a estos inconvenientes, ciertos reglamentos sectoriales prohíben el uso de motores de arranque directo que superen cierta potencia. Otros se limitan a imponer la relación entre la corriente de arranque y la nominal en base a la potencia de los motores. Los motores de jaula son los únicos que pueden acoplarse directamente a la red por medio de un equipo simple. Dado que el fabricante determina de manera definitiva las características del rotor, los distintos procesos de arranque consisten principalmente en hacer variar la tensión en los bornes del estator. En este tipo de motores, cuya frecuencia es constante, la reducción de la punta de corriente conlleva de manera automática una fuerte reducción del par. ARRANQUE DIRECTO. Se trata del modo de arranque más sencillo en el que el estator se acopla directamente a la red. El motor se basa en sus características naturales para arrancar. En el momento de la puesta bajo tensión, el motor actúa como un transformador cuyo secundario, formado por la jaula muy poco resistente del rotor, está en cortocircuito. 317 La corriente inducida en el rotor es importante. La corriente primaria y la secundaria son prácticamente proporcionales, por tanto, se obtiene una punta de corriente importante en la red: I arranque = 5 a 8 l nominal. El par de arranque medio es: C arranque = 0.5 a 2.5 C nominal. A pesar de las ventajas que conlleva (sencillez del equipo, elevado par de arranque, arranque rápido, bajo coste), sólo es posible utilizar el arranque directo en los siguientes casos: • La potencia del motor es débil con respecto a la de la red, para limitar las perturbaciones que provoca la corriente solicitada, • La máquina accionada no requiere un aumento progresivo de velocidad y dispone de un dispositivo mecánico (por ejemplo, un reductor) que impide el arranque brusco, • El par de arranque debe ser elevado. Por el contrario, siempre que: • La caída de tensión provocada por la corriente solicitada pueda perturbar el buen funcionamiento de otros aparatos conectados a la misma línea. • La máquina accionada no pueda admitir sacudidas mecánicas, • La seguridad de los usuarios se vea comprometida (por ejemplo, en el caso de las escaleras mecánicas), será imprescindible recurrir a una artimaña para disminuir la corriente solicitada o el par de arranque. En estos casos, el medio más utilizado consiste en arrancar el motor bajo tensión reducida. 318 Figura 28. 1 Conexión Motor Asíncrono Trifásico GRAFICA CORRIENTE vrs VELOCIDAD EN ARANQUE DE MOTOR. Figura 28. 2 Curva Arranque Directo 319 La variación de la tensión de alimentación tiene las siguientes consecuencias: • La corriente de arranque varía proporcionalmente a la tensión de alimentación, • El par de arranque varía proporcionalmente al cuadrado de la tensión de alimentación. Ejemplo: Durante el arranque si la tensión se divide por y el , la corriente se divide aproximadamente por par se divide por 3. DIAGRAMA ARRANQUE DIRECTO MOTOR. Figura 28. 3 Arranque Directo ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR. Se aplica a motores cuya potencia nominal es mayor que 5KW. Sabemos que la corriente de arranque depende de la tensión de alimentación del motor. Si disminuimos la tensión de alimentación en el momento del arranque, reduciremos la corriente de 320 arranque. Una vez que el motor alcance una determinada velocidad, con s<1, procederemos a restablecer la tensión nominal de alimentación. A diferencia del arranque estrella-triangulo, en que la corriente y el par quedan reducidos a la tercera parte, el autotransformador permite obtener los valores que interesen con solo fijar la relación conveniente. Sin embargo, no debe reducirse en exceso la corriente de arranque, ya que daría lugar a una punta elevada al aplicar la plena tensión de red. Es usual utilizar una tensión secundaria del 70% .En estas condiciones la corriente absorbida por el motor en el secundario del autotransformador también queda reducida al 70% , pero en el primario se obtiene ( debido a la relación de transformación) una corriente de 0,7 x 0,7 = 0,49 ,es decir, el 49% de la corriente de arranque directo. En cuanto al par de arranque, al depender del cuadro de la tensión también quedara reducido al 49% del valor correspondiente en arranque directo. PROCEDIMIENTO PARA ARRABNQUE CON AUTRANSFORMADOR. Se conecta un autotransformador trifásico alimentando al motor con una Ve (tensión de estator) menor de VeN de tal forma que la intensidad de arranque sea la deseada. Cuando el motor alcanza las condiciones de funcionamiento se desconecta el autotransformador y se alimenta al motor a su VeN. Este proceso suele hacerse en dos o tres pasos con tensiones no inferiores al 40-60 y 75% de la tensión nominal de alimentación del motor. En la tabla adjunta se muestran los diferentes valores de la tensión del primer punto, así como la corriente absorbida y el par generado por el motor en el primer punto de arranque con autotransformador para los casos de 2 y de 3 puntos de arranque. Tabla 4.3 Características de Autotransformador 321 Este método de arranque presenta los siguientes inconvenientes: • Disminuye el par de arranque al disminuir la tensión de alimentación en un factor de x2, siendo x el factor de reducción de la tensión de alimentación: Ve = x ⋅ VeN . • El motor se deja de alimentar durante el cambio de una tensión a otra. • Aumenta el tiempo de arranque. Figura 28. 4 Parámetros de Motor con Arranque Tipo Autotransformador ARRANQUE ESTRELLA DELTA. Este método de arranque se puede aplicar tanto a motores de rotor devanado como a motores de rotor en jaula de ardilla, la única condición que debe de cumplir el motor para que pueda aplicársele este método de arranque es que tenga acceso completo a los devanados del estator (6 o 12 bornes de conexión); es decir se puede conectar la estrella y luego la delta. Además, es necesario que el motor esté construido para funcionar en triángulo con la tensión de la línea Si no es así, no se lo puede conectar. 322 Este tipo de conexión consiste en aplicar en el arranque la tensión nominal del motor en la conexión de triángulo cuando éste está conectado en estrella, con lo que la tensión de alimentación se reduce en √3 y el par de arranque en 1/3. Una vez que el motor ha empezado a girar (se aconseja no pasar de la conexión estrella a la conexión triángulo hasta que el motor no haya adquirido, al menos, una velocidad del 80% de la nominal), se conmuta la conexión de los devanados a triángulo, con lo que se le está aplicando la tensión nominal de alimentación. La corriente de arranque se reduce en 1/√3, en relación con la corriente de arranque directo. Este método presenta los siguientes inconvenientes: o Disminuye el par de arranque al disminuir la tensión de alimentación en un factor de1/3. o El motor se deja de alimentar durante el cambio de la conexión de estrella a triángulo en los devanados del estator. o Aumenta el tiempo de arranque. El arranque estrella-triángulo es el procedimiento más empleado para el arranque a tensión reducida debido a que su construcción es simple, su precio es reducido y tiene una buena confiabilidad. El procedimiento para reducir la tensión en el arranque consiste en conmutar las conexiones de los arrollamientos en los motores trifásicos previstos para trabajar conectados en triángulo en la red . La conmutación de estrella a triángulo generalmente se hace en forma automática luego de transcurrido un lapso (que puede regularse) en el que el motor alcanza determinada velocidad. En el caso más simple tres contactores realizan la tarea de maniobrar el motor, disponiendo de enclavamientos adecuados. La protección del motor se hace por medio de un relé térmico. El térmico debe estar colocado en las fases del motor. La regulación del mismo debe hacerse a un valor que resulta de multiplicar la corriente de línea por 0,58. La protección del circuito más adecuada también es el fusible. Algunas indicaciones que se deben tener en cuenta sobre el punto de conmutación son: • El pico de corriente que toma el motor al conectar a plena tensión (etapa de triángulo) debe ser el menor posible; por ello, la conmutación debe efectuarse cuando el motor esté cercano a su velocidad nominal (95% de la misma), es decir cuando la corriente de arranque baje prácticamente a su valor normal en la etapa de estrella. 323 • Asimismo, el relé de tiempo debe ajustarse para conmutar en este momento, no antes ni mucho después. Habitualmente, un arranque normal puede durar hasta 10 segundos, si supera los 12 segundos se debe consultar al proveedor del equipo. Si no se cumple con lo anterior, el pico de corriente que se produce al pasar a la etapa de triángulo es muy alto, perjudicando a los contactores, al motor y a la máquina accionada. El efecto es similar al de un arranque directo. Finalmente digamos que el dispositivo estrella-triángulo tiene el inconveniente de que el momento de arranque que se obtiene a veces no es suficiente para hacer arrancar máquinas con mucho momento de inercia, en cuyo caso se utilizan los dos métodos que se describen a continuación. Ambos permiten conectar motores trifásicos con motor de jaula, los cuales traccionan, por ejemplo, bombas sumergibles. Figura 28. 5 Conexión Estrella-Triángulo 324 DIAGRAMA DE CONEXIÓN ARRANCADOR ESTRELLA- DELTA. Figura 28. 6 Arrancador Estrella-Delta 325 Figura 28. 7 Curvas Comparativas entre Conexión Estrella y Delta 326 ARRANCADORES SUAVES. Los arrancadores Suaves son dispositivos estáticos de arranques desarrollados para acelerar, para desacelerar y para proteger los motores de inducción trifásicos - a través del control de la tensión aplicada en el motor. Comparación entre los distintos tipos de arranque. Figura 28. 8 Curva Tipos de Arranque Funcionamiento: Arranque Suave Comenzando con un voltaje igual al 40% de Vn se va aumentando a través de una rampa hasta llegar la voltaje nominal. El motor corre sin variaciones bruscas a lo largo de la línea ML. Figura 28. 9 Curva Arranque Suave 327 La velocidad aumenta en forma lineal hasta alcanzar la velocidad nominal. Al final del arranque funcional el motor con voltaje y momento nominal sin que hayan ocurrido los conocidos picos de corriente durante el arranque. Consumo de energía óptimo Un microprocesador controla el factor de potencia durante el funcionamiento del motor: o Se reduce el voltaje de acuerdo a la carga. o Se reduce también el amperaje proporcionalmente o Se logra un factor de potencia óptimo a baja carga y en vacío El motor recibe únicamente la energía eléctrica que requiere, de acuerdo a la carga, manteniendo la velocidad en el eje del motor sin fuertes variaciones. Arranque a través de una rampa de voltaje Por medio del microprocesador se eleva el voltaje desde 40% de Vn hasta el 100% en forma lineal en un tiempo prefijado tr (tiempo de rampa). La corriente se eleva en forma lineal proporcionalmente al incremento del voltaje hasta que se adquiere el momento máximo. Luego se reduce la corriente hasta su valor nominal. Figura 28. 10 Arranque a través de una Rampa de Voltaje 328 Arranque con limitación de corriente Al alcanzar la corriente máxima prefijada, se mantiene el voltaje constante hasta que disminuya la corriente y luego continuará subiendo el voltaje. El tiempo de rampa se prolongará de acuerdo al tiempo Si se alcanza el tiempo máximo (t2) de limitación de corriente de arranque sin que ésta haya disminuido, continuará entonces el incremento de voltaje por el tiempo pendiente de rampa sin que en ese tiempo haya nueva limitación de corriente. En ese caso hay peligro de sobrecargar el arrancador electrónico. Figura 28. 11 Arranque con Limitación de Corriente 329 CURVAS DE PARO DE UN ARRANCADOR SUAVE. Figura 28. 12 Curvas de Paro de un Arrancador Suave Ventajas • Reduce la solicitación mecánica del accionamiento en su conjunto (menor desgaste, mayores intervalos de mantenimiento) • Evita las sobrecargas que en la red de alimentación de energía eléctrica provocan los picos de corriente de arranque y conmutación • Reduce el consumo de potencia de la máquina al funcionar con carga parcial o en vacío • Acelera los procesos productivos (menores tiempos de parada y menores pérdidas de producción 4.6.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • Mencione los tipos de arrancadores que existen. • En qué consiste el arranque por autotransformador explique. • Como se ve afectada la corriente de arranque del motor dependiendo del voltaje de alimentación. • Como varia el momento de arranque dependiendo del voltaje de alimentación. • Hasta que potencia de un motor se le permite hacer arranque directo. 330 • Cuáles son las consecuencias ya sean en el motor o la misma red si no se utiliza un arrancador adecuado para el motor. • Cuál es el mejor tipo de arrancador que existe y mención todas sus ventajas. • Mencione desventajas del arrancador estrella delta. 4.6.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS. • Motor trifásico 208 v. • Un autotransformador. • 3 contactores. • Temporizador. (Timer.) • Conductor eléctrico para alimentación. Adecuado para la corriente de arranque del motor. • Fusibles de protección. • Botón de emergencia tipo hongo. • Pulsador normalmente abierto. • Pulsador normalmente cerrado. 4.6.5 PROCEDIMIENTO. PARTE A: ARRANQUE CON AUTOTRANSFORMADOR. Se conecta un autotransformador trifásico alimentando al motor con una Ve (tensión de estator) menor de VeN de tal forma que la intensidad de arranque sea la deseada. Cuando el motor alcanza las condiciones de funcionamiento se desconecta el autotransformador y se alimenta al motor a su VeN. Este proceso suele hacerse en dos o tres pasos con tensiones no inferiores al 40-60 y 75% de la tensión nominal de alimentación del motor. Para cada tipo de arranque se llenará una tabla de valores medidos en la cual se comparara como varían los parámetros de la red dependiendo del tipo de arrancador. Se procederá a conectar el siguiente circuito. 331 DIAGRAMA ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR. Figura 28. 13 Arranque por Autotransformador 332 ESQUEMA DE MANIOBRA. Figura 28. 14 Esquema de Control El esquema presentado aquí, trata sobre el arranque de un motor sobre dos puntos. La utilidad de éste tipo de arranque es poder reducir la intensidad durante el arranque, se usa en máquinas donde el par resistente sea bajo. Se emplea con motores trifásicos con el rotor en cortocircuito. Como el esquema indica, si accionamos sobre el pulsador S1 entrarán en juego KA1, KM1 y KM2. Con el temporizador KA1 regularemos el tiempo necesario para que cuando el motor se encuentre en los valores nominales, se desconecten KM1 y KM2, conectándose a su vez KM3, entonces el motor estará en régimen de trabajo habitual. En cambio, si deseamos detener el motor, solo tenemos que accionar el pulsador S2. 333 PARTE B: ARRANQUE DIRECTO. En esta parte se conectara el motor de acuerdo al siguiente circuito en donde se medirán los parámetros del motor para luego compararlos con los del arranque con autotransformador. Figura 28. 15 Arranque Directo 334 Tabla 4.4 Mediciones ARRANQUE AUTOTRANSFORMADOR. DIRECTO. VALORES A MEDIR. Potencia del motor Voltaje nominal del motor. Corriente en primario del autotransformador. Corriente en el secundario de autotransformador. Voltaje de alimentación Corriente de arranque en líneas hacia motor. Voltaje en bornes al momento del arranque. Voltaje en bornes después del arranque. Corriente después de arranque. Factor de potencia en funcionamiento. 4.6.6 CUESTIONARIO. • ¿En qué caso la corriente de arranque fue menor? • ¿A qué se debe la disminución en la corriente de arranque del motor? • ¿Por qué el voltaje en los bornes del motor disminuyo en el momento del arranque? • ¿Durante cuánto tiempo se mantuvo el aumento de corriente en el arranque? • ¿Qué sucedería si en el arranque por autotransformador utilizáramos un voltaje menor al 40 % del voltaje nominal del motor? • ¿Cómo es el factor de potencia del motor en el momento del arranque y justo después que ya está en marcha? 335 4.7 EXPERIMENTO DE LABORATORIO No. 7. MOTORES ELECTRICOS DE ALTA EFICIENCIA. 4.7.1 OBJETIVOS • Conocer el funcionamiento básico de un motor de alta eficiencia. • Identificar un motor de alta eficiencia y su aplicación en la industria. • Identificar las necesidades técnicas de utilización de un motor de alta eficiencia. • Saber los principios técnicos básicos en los cuales se fundamenta un motor de alta eficiencia. 4.7.2 EXPOSICION Motores eléctricos de alta eficiencia. Característica electromecánicas, ventajas y aplicabilidad. Los motores eléctricos de alta eficiencia empezaron a ser fabricados a mediados de la década de los 70 inicialmente en USA pero su aplicación se hizo masiva al llegar el año 2000 también en otros países industrializados Introducción. El constante incremento de los costos en la energía eléctrica y las restricciones establecidas sobre la conservación del medio ambiente hicieron que los países industrializados se dictaran políticas y se aprobaran legislaciones respecto al uso de la energía. Considerando que de la energía total generada en el mundo, aproximadamente el 60% la consumen los motores eléctricos y que el motor eléctrico más usado es el asincrónico jaula de ardilla. En los países subdesarrollados el uso de motores de alta eficiencia es notablemente inferior al hacer una comparación. Una de las razones es que en las prácticas tradicionales de compra no se evalúa el costo real de la energía, entre otras cosas, porque no se comprende la relación entre la eficiencia y los costos totales durante la vida útil del equipo. Eficiencia de los motores eléctricos. Puede decirse que la eficiencia de un motor eléctrico es la medida de la capacidad que tiene el motor de convertir la energía eléctrica en energía mecánica. La potencia eléctrica correspondiente medida en watts entra por las terminales del motor y la potencia mecánica medida en watts o HP que sale por eje. La eficiencia (EF) del motor puede expresarse como: Ec (1.21) 336 Y como: Potencia mecánica de salida = Potencia Eléctrica de entrada – Pérdidas Se tiene que: Ec (1.22) Naturaleza de las pérdidas en los motores eléctricos. Se tiene por pérdidas la potencia eléctrica que se transforma y disipa en forma de calor en el proceso de conversión de la energía eléctrica en mecánica que ocurre en el motor. Las pérdidas por su naturaleza se pueden clasificar en 5 áreas: pérdidas en el cobre del estator, pérdidas en el cobre del rotor, pérdidas en el núcleo, pérdidas por fricción y ventilación y pérdidas adicionales. Entre las pérdidas más importantes de analizar, para el caso, tenemos: • Pérdidas en los conductores. Las pérdidas en los conductores se dividen en dos zonas: estator (I2R en las bobinas del estator) y rotor (I2R en las bobinas del rotor). Estas pérdidas dependen del cuadrado de la corriente. • Pérdidas en los conductores del estator. Estas pérdidas son una función de la corriente que fluye en el devanado del estator y la resistencia de ese devanado. Son mínimas en vacío y se incrementan al aumentar la carga. En función del factor de potencia (FP), la corriente de línea en el estator puede expresarse como: Ec (1.23) Cuando se desea mejorar el comportamiento del motor, es importante reconocer la interdependencia entre la eficiencia y el factor de potencia. Si se despeja el factor de potencia, la ecuación se escribe: Ec (1.24) 337 Por lo tanto si se incrementa la eficiencia, el factor de potencia tendrá a decrecer. Para que el factor de potencia permanezca constante, la corriente del estator debe reducirse en proporción al aumento de eficiencia. Si se pretende que el factor de potencia mejore, entonces la corriente debe disminuir más que lo que la eficiencia aumente. Desde el punto de vista del diseño, esto es difícil de lograr debido a que hay que cumplir otras restricciones operacionales como el momento máximo. Por otra parte la corriente de línea se puede expresar: Ec (1.25) La expresión hace evidente que las pérdidas en el estator (I2R) serán inversamente proporcionales al cuadrado de la eficiencia y del factor de potencia. Adicionalmente las pérdidas en los conductores del estator dependen de la resistencia del bobinado. Para un motor dado la resistencia del bobinado es inversamente proporcional al peso del bobinado del estator, es decir a más material conductor en el estator menos pérdidas. Distribución de las pérdidas. Dentro de un intervalo limitado de eficiencia, las distintas perdidas son independientes unas de las otras. Sin embargo, cuando se procuran mejoras sustanciales en la eficiencia, se encuentra que las mismas están fuertemente entrelazadas. El diseño final de un motor es un balance entre las eficiencias y pérdidas. Con el objetivo de obtener una eficiencia elevada y aún poder satisfacer otros requerimientos operacionales como el momento de arranque, la corriente de arranque, el momento máximo y el factor de potencia. La forma en que se distribuye relativamente estas pérdidas depende del tipo y tamaño del motor y, para tener una idea general, en los anexos presentamos una tabla en donde se muestra como se distribuyen las pérdidas en motores de diseño NEMA B de distinta potencia nominal. Incremento de la eficiencia en los motores asincrónicos. El incremento de la eficiencia en los motores asincrónicos de jaula de ardilla se logra con la reducción de sus pérdidas. Según aumenta la potencia de salida y en consecuencia la eficiencia nominal, se incrementa también el grado de dificultad para mejorar la eficiencia y por lo tanto el costo de mejorar la eficiencia de un motor. Considerando solamente las pérdidas en los conductores del estator y del rotor para mejorar un punto en la eficiencia, se requiere un aumento creciente en la reducción de estas pérdidas, según se puede observar en la tabla mostrada a continuación, confeccionada para valores promedio de los diseños NEMA B. 338 Tabla 4.5 Pérdidas en los Conductores en Porcentajes. Las pérdidas en el motor pueden reducirse hasta alrededor de un 50% a través del uso de mejores materiales, optimizando la geometría, ajustando mejor el motor con la carga y mejorando el proceso de fabricación. Cuando se intenta maximizar la eficiencia de un motor, debe considerarse que ésta puede incrementarse por dos métodos diferentes. Una posibilidad es seguir el camino en el cual la mejoría se logra fundamentalmente a base de adicionar materiales y empleando tecnologías más costosas. La otra posibilidad es optimizar el diseño del motor utilizando métodos de optimización. La diferencia entre los dos enfoques es que en el primer caso la mejoría se alcanza modificando un diseño existente, mientras que en el segundo caso se obtienen diseños totalmente nuevos. En la primera variante, el incremento de los materiales implica fundamentalmente aumentar el volumen del material activo (acero magnético y material conductor de la corriente) y las mejoras tecnológicas significan emplear aceros magnéticos de mejor calidad, utilizar un mayor factor de llenado en las ranuras, incrementar el número de ranuras del estator y del rotor, etc. Las características de diseño de la mayoría de motores de alta eficiencia son: • Las pérdidas en los conductores del estator disminuyen aumentando el área disponible para los conductores mediante la colocación de las ranuras de conductores de más sección o a través de un incremento de las dimensiones de las ranuras. Una variación en la configuración del devanado puede conducir también a una reducción de estas pérdidas, si se logra disminuir con ello la longitud de las cabezas de la bobina y por lo tanto la resistencia del bobinado estatórico. • Las pérdidas en los conductores del rotor pueden reducirse incrementando la cantidad del material conductor (en las barras y en los anillos), utilizando materiales de mayor conductividad, así como aumentando el flujo total que atraviesa el entrehierro. La magnitud de estos cambios está limitada por las siguientes restricciones: momento mínimo de arranque requerido, corriente máxima de arranque permisible y el factor de potencia mínimo aceptable. 339 • Las pérdidas en el núcleo magnético se reducen haciendo que el motor opere con inducciones más bajas que las normales y para compensarse incrementando la longitud de la estructura ferromagnética. Esto reduce las pérdidas por unidad de peso, pero debido a que el peso total aumenta, la mejoría en cuanto a pérdidas no es proporcional a la reducción unitaria de éstas. La disminución en la carga magnética también reduce la corriente de magnetización; y esto influye positivamente en el factor de potencia. A la hora de elegir instalar un motor de alta eficiencia en una planta industrial, debe tomarse en cuenta el tiempo que permanece comúnmente en operación y que por tal motivo presente un alto consumo energético. Es interesante la compra de un motor de alta eficiencia en los siguientes casos: • En los motores entre 10 HP y 75 HP cuando operen 2500 horas anuales ó más. • En los motores de potencias distintas a las anteriores (pequeños y grandes motores) cuando operan 4500 horas o más. ¿Reparar o reemplazar? Cuando un motor falla se presentan tres alternativas: reparar el motor averiado, comprar un nuevo motor de eficiencia estándar o comprar un nuevo motor de alta eficiencia. La alternativa de reparación parece ser, a primera vista, la más oportuna por cuanto su costo es inferior a una nueva compra, sin embargo, está constatado que en la mayoría de las ocasiones el rebobinado de un motor conduce a una pérdida de rendimiento, en algunos casos importante, y adicionalmente una menor fiabilidad de funcionamiento, en cuanto que se disipa mayor calor y el motor soportará mayores exigencias. Estudios de General Electric sobre motores de 3 a 150 HP han determinado que las pérdidas se incrementan un 18%, es decir, que la eficiencia empeora entre 1,5% y 2.5%. La decisión de sustituir un motor averiado por un motor de alta eficiencia es compleja porque depende de varias variables, como el costo de reparación, la variación del rendimiento, el precio del nuevo motor, la eficiencia original del motor instalado, el factor de carga, las horas de operación anuales, el precio de la energía y el criterio de amortización. Ventajas de los motores de alta eficiencia. • El hecho de que se tenga una eficiencia mayor significa que se disminuye los costos de operación del motor y se puede recuperar la inversión adicional en un tiempo razonable, sobre todo si se opera a una carga cercana a la potencia nominal. Recuerde que en un año el costo de la energía es aproximadamente seis veces el costo de compra del motor. 340 • Los motores de alta eficiencia poseen generalmente un menor deslizamiento (mayor velocidad de operación) que los motores de eficiencia estándar, debido a los cambios que se producen en los parámetros del motor. La mayor velocidad puede ser ventajosa en muchos casos, pues mejora la ventilación. • Los motores de alta eficiencia son normalmente más robustos y mejor construidos que los motores estándar, lo que se traduce en menores gastos de mantenimiento y mayor tiempo de vida. Limitaciones de los motores de alta eficiencia. • El hecho de que los motores de alta eficiencia operen a una velocidad mayor, puede ocasionar un incremento en la carga, sobre todo cuando se accionan ventiladores o bombas centrífugas, este hecho debe valorarse en cada situación. • El momento de arranque y el momento máximo son en algunos diseños ligeramente mayores y en otros ligeramente menores, por lo tanto es necesario analizar detalladamente en cada aplicación. • La corriente de arranque suele ser mayor. Esto puede provocar que se sobrepasen los límites máximos de caída de voltaje en la red. Aplicabilidad. Los motores de alta eficiencia pueden aplicarse favorablemente en los siguientes casos: • Cuando el motor opera a una carga constante y muy cerca del punto de operación nominal. • Cuando se usan para reemplazar a motores sobredimensionados. • Cuando se aplican conjuntamente con variadores electrónicos de frecuencia para accionar bombas y ventiladores, pueden lograr ahorros de hasta más del 50% de la energía. • Como parte de un programa de uso eficiente de la energía eléctrica. • En instalaciones nuevas. El ahorro de dinero al aplicar un motor de alta eficiencia se puede calcular usando la siguiente ecuación: Ec (1.26) Donde: S: Ahorro en moneda nacional por año. HP: Potencia de la placa en HP. 341 L: Porcentaje de carga del motor respecto a la potencia nominal. C: Costo de la Energía en moneda nacional por KWh. T: Tiempo de funcionamiento del motor en horas por año. EA: Eficiencia del motor estándar. EB: Eficiencia del motor de alta eficiencia. 4.7.3 PRUEBA TEORICA DE CONOCIMIENTOS. • Explique las ventajas de usar un motor de alta eficiencia. • Mencione las áreas en las que se clasifican las pérdidas en los motores eléctricos. • Explique cómo se realiza el aumento de eficiencia en los motores asincrónicos. • ¿Cuáles son las características de diseño de la mayoría de motores de alta eficiencia? • Enuncie y explique las ventajas y limitaciones de los motores de alta eficiencia. 4.7.4 MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS • Motor de alta eficiencia. • Motor estándar. • Guardamotor. • Relé termomagnético. • Multímetro. • Amperímetro. • Wattímetro. • Juego de bananas. • Destornilladores. • Cinta métrica. • Contactor de acuerdo a la potencia del motor. • Tacómetro. 4.7.5 PROCEDIMIENTO COMPARACIÓN ENTRE MOTOR DE ALTA EFICIENCIA Y MOTOR ESTANDAR. Haciendo uso del motor estándar que se encuentra en el Laboratorio, realizar un arranque directo, como se muestra continuación. Usar el mismo diagrama de conexión para el motor de alta eficiencia. 342 Figura 29. 1Diagrama de Arranque Directo • Primero, realizar la conexión para el motor estándar y tomar lectura de los siguientes parámetros. Tabla 4.6 Mediciones en Motor Estándar Lugar de medición Parámetro Entre fases. (L1, L2, L3) Voltaje En cada Línea. Corriente En cada fase. Potencia En el eje. Velocidad Angular Calcular matemáticamente. Frecuencia 343 Dato Obtenido • Luego, realizar la misma conexión para el motor de alta eficiencia y tomar lectura de los siguientes parámetros. Tabla 4.7 Mediciones en Motor Alta Eficiencia Lugar de medición • Parámetro Entre fases. (L1, L2, L3) Voltaje En cada Línea. Corriente En cada fase. Potencia En el eje. Velocidad Angular Calcular matemáticamente. Frecuencia Dato Obtenido Realizar una comparación entre los datos obtenidos para ambos motores y concluir si es notoria la diferencia en la eficiencia de ambos motores. ¿Sabe que significa que un motor sea eficiente? Si la respuesta no es afirmativa, entonces vuelva a leer la información que se encuentra en la parte teórica de esta guía de trabajo. • Identificar cual motor es más eficiente y discutir con su instructor porque lo considera así. 4.7.6 CUESTIONARIO. • Explique con sus propias palabras que es la eficiencia en un motor. • ¿Cómo se relaciona la eficiencia de un motor y las pérdidas económicas de una empresa? • ¿En qué parámetros puede verificarse si un motor es eficiente? Explique y argumente su respuesta basándose en su conocimiento de circuitos eléctricos. • ¿Cuál considera usted que es la principal razón por la cual los motores de alta eficiencia son poco usados en la industria salvadoreña? • ¿En qué criterio se basaría usted para instalar un motor de alta eficiencia? • ¿Cree en la aplicabilidad de este motor de alta eficiencia para cualquier trabajo que se le exija y/o asigne? Justifique su respuesta. • ¿Bajo qué características decimos que un motor es eficiente? • ¿La eficiencia de un motor eléctrico es directamente proporcional a su consumo de energía 344 4.7.7 ANEXOS Tabla 4.8 Distribución típica de perdidas en los motores Tabla 4.9 Eficiencia nominal de motores trifásicos de inducción de alta eficiencia. 345 346 CAPITULO 5: DISEÑO DE MODULOS: Para la realización de las prácticas de laboratorio de cada una de las materias se utilizarán distintos módulos de trabajo relacionándose entre si en dos bloques. La división es la siguiente: • Instalaciones Eléctricas Industriales y Protecciones y aparatos de Maniobra de Redes Eléctricas. • Sistemas de Distribución de Energía y Equipos y dispositivos Industriales. Esta clasificación se hizo debido a la similitud entre los equipos utilizados de las materias agrupadas. 5.1 INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES Y PROTECCIONES Y APARATOS DE MANIOBRA DE REDES ELECTRICAS. Para el diseño de este módulo de laboratorio se tomaron en cuenta las siguientes necesidades: • Un espacio y un modulo con el tamaño adecuado para realizar las prácticas. • Una manera práctica de montar los elementos eléctricos para la realización de circuitos. • Espacios para guardar los materiales a utilizar. Motivados en las necesidades antes numeradas, se muestra a continuación el diseño del módulo de instalaciones eléctricas industriales. Figura 30. 1 Vista Frontal. 347 Figura 30. 2 Vista Lateral módulo. Figura 30. 3 Vista superior módulo. 348 Figura 30. 4 Módulo Completo. 349 Figura 30. 5 Acabado final módulo. En el cual podemos identificar que tenemos las partes requeridas para poder realizar las prácticas. 350 Entre ellas podemos mencionar las siguientes: • Gabeteros: Estos fueron incluidos con el objeto de mantener en orden y muy bien cuidados los materiales y equipos necesarios para la realización de las prácticas. • Mesa: Su objetivo es que sirva como un soporte óptimo para que el estudiante coloque sus diagramas, los elementos eléctricos y las herramientas en el momento de realizar una práctica. • Área de Trabajo: Acá se planea que el estudiante coloque los elementos que forman parte de las prácticas para posteriormente hacer las pruebas sobre su buen funcionamiento. El módulo de trabajo desde una vista frontal denota con mucha exactitud cada una de las partes antes mencionadas, poniendo especial énfasis en la parte superior, la que corresponde al área de trabajo en la que el estudiante trabajará Figura 30. 6 Módulo con gavetas. 351 La forma en la cual están hechos los rieles horizontales es con el objeto de montar otros en forma vertical y así soportar cualquiera de los elementos que necesiten en el área de trabajo. Todos han sido diseñados con la misma longitud y con eso se gana versatilidad en el armado de una práctica. Figura 30. 7 Riel. Los módulos con los rieles instalados a diferentes aberturas se verían de la siguiente manera: Figura 30. 8 Módulo con rieles. 352 Una de las ventajas de este diseño innovador es que el estudiante puede trabajar sin ningún problema en la parte trasera del área de trabajo, lo que le permite en algún dado caso alambrar o realizar cualquier montaje. Se pretende que existan dos de los módulos de trabajo, ya que se espera que trabajen en dos grupos simultáneamente; cabe mencionar también que debido a los tamaños de los elementos que se utilizan en las prácticas de las asignaturas Instalaciones Eléctricas Industriales y Protecciones y aparatos de maniobra de Redes Eléctricas estas se realizarán de la mejor manera posible 5.2 SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y EQUIPOS Y DISPOSITIVOS INDUSTRIALES. Para el diseño de este módulo de laboratorio se tomaron en cuenta las siguientes necesidades: • Un espacio óptimo para realizar las prácticas. • Un espacio cerrado, que no permita el acceso a personas no autorizadas. • Elementos reales de subestaciones, con las cuales se realizarán conexiones y maniobras • Colocación de alimentación eléctrica. 353 Motivados en las necesidades antes numeradas, se diseñó la siguiente instalación de trabajo: Figura 31. 1 Diseño de módulo. 354 En el montaje del laboratorio se puede observar distintos elementos como los siguientes: • Transformadores monofásicos: Con los cuales el estudiante realizará conexiones con distintas configuraciones, siempre tomando en cuenta las medidas de seguridad. • Cortacircuitos: Elementos de protección que los estudiantes conocerán y esto es lo innovador de esta instalación, el contacto con elementos que cotidianamente las distribuidoras eléctricas instalan, desinstalan o cambian. • Pararrayos: Elementos de protección que el estudiante también tiene que conocer, ya que son de gran importancia para proteger subestaciones de descargas atmosféricas. • Aisladores: El estudiante podrá identificar los distintos tipos, ver la forma que tienen, el material del cual está hecho y la capacidad aisladora de la que consta. • Líneas de alimentación primaria: Se instalarán de forma idéntica como en una subestación real, ya que estás líneas la alimentan. • Barra colectoras de Tierras: Como su nombre lo indica se encarga de recolectar todas los aterrizamientos que sean necesarios en el momento de realizar una conexión. • Malla ciclón y su puerta respectiva: Esto tendrá la función de aislar la subestación y así prevenir accidentes. El objeto primordial que se tiene con este tipo de instalación de trabajo, es familiarizar al estudiante con elementos básicos de subestaciones ya que muy probablemente se encontrarán con situaciones idénticas en su vida profesional. 355 356 CONCLUSIONES. • El Manual práctico de laboratorio para las materias del área de Potencia, ha sido elaborado pensando en el máximo aprovechamiento por parte de los estudiantes, quienes aunque no sean participes de una de estas materias, podrán indiscutiblemente referirse a este manual para obtener información concerniente a temas de especial interés y fácilmente comprenderán la conceptualización por la claridad de las ideas planteadas y por lo amigable del lenguaje técnico utilizado. • La recopilación de la información técnica, concerniente a las materias del área de Potencia ha sido tal que, todos los temas expuestos teóricamente por el maestro titular de la materia son profundizados conceptualmente hasta un nivel de total comprensión popular, inclusive para personas ajenas a Ingeniería Eléctrica. • En la búsqueda de solventar deficiencias en temas de relativa importancia para Ingeniería Eléctrica y que son vitales para el buen desempeño de los futuros profesionales, se obtuvo una metodología de enseñanza paralela a las clases expositivas, en donde se pondrá en práctica lo estudiado. • Para solucionar problemas de Ingeniería reales, a lo largo de todas las prácticas con las que cuentan las guías de trabajo para las diferentes materias envueltas en el área de Potencia, se plantean distintas situaciones en donde la persona interesada pondrá a trabajar su imaginación, memoria, intelecto e ingenio para exponer un procedimiento óptimo y de calidad aceptable no solo didácticamente sino también laboralmente. • Como grupo de trabajo, al inicio de este proyecto propusimos soluciones a problemas reales y planteamos las herramientas necesarias para desarrollarlo. Hoy podemos concluir que los objetivos planteados al inicio de este proyecto fueron completamente solventados y sin lugar a dudas alcanzados y superados. 357 358 REFERENCIAS. Ing. Enrique Matamoros López. Departamento de Ciencias Energéticas y Fluídicas. Universidad Centroamericana José Simeón Cañas “UCA”. 359 360 BIBLIOGRAFÍA. • Enríquez Harper, Gilberto [1994] Guía Práctica para el cálculo de Instalaciones Eléctricas. Primera Edición. • Enríquez Harper, Giberto [2004] Manual práctico de Instalaciones Eléctricas. Segunda Edición. • Enríquez Harper, Gilberto [2005] Sistemas de transmisión y Distribución de Potencia Eléctrica. Primera Edición. • Hayt, William H. [2003] Análisis de Circuitos en ingeniería. Sexta Edición. • Ernst Klett-Verlag, Stuttgart [1968] Traducción de la obra alemana “ Fachrechnen für Elektroberufe” • Heinz Paeg [1989] Corrección del factor de Potencia. ep 32. • SIGET Normas Generales de Construcción de líneas aéreas de Distribución de Energía Eléctrica. • Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-1999, Instalaciones Eléctricas (utilización). • Enríquez Harper, Gilberto [2006] Elementos de diseño de Subestaciones Eléctricas. Segunda Edición. • Ing Carlos Francisco Figueroa[2008]. Calidad de Energía: Compensación Reactiva y Armónicos. Seminario IEEE. • Ing. José Fredy Villalta.[2008] Conexiones a tierra de redes eléctricas computacionales y telefonías. Seminario IEEE • Enríquez Harper, Gilberto[1986] El ABC de las Instalaciones Eléctricas Residenciales. Primera Reimpresión. • Enríquez Harper, Gilberto [1994] El ABC del alumbrado y las instalaciones eléctricas en baja tensión. Cuarta reimpresión. 361
