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Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana “INSTALACIÓN DE CORRIENTE REGULADA PARA LOS LABORATORIOS DE FÍSICA E INVESTIGACIÓN DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA.” TESIS QUE PARA APROBAR LA EXPERIENCIA RECEPCIONAL DEL PROGRAMA DE: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA PRESENTAN: Ramirez Martinez Lucio Vázquez Molina Angel Ricardo ASESOR: ING. Hugo Ismael Noble Pérez Coatzacoalcos, Ver. Febrero 2010. 1 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana AGRADECIMIENTOS A Dios: Por darme vida, salud, sabiduría y luz para terminar mis estudios profesionales. A MIS PADRES Y FAMILIARES: Por darme todo su apoyo (moral y económico) incondicional durante todos estos años, que sus mayores deseos es ver la superación y el bienestar de sus hijos. Que han dado lo mejor de si día a día desde que nací sin importarle el sacrificio que deban hacer simplemente con la finalidad de brindarnos un futuro mejor al que ellos tuvieron. También por haberme apoyado en los buenos o malos momentos en mi etapa como estudiante, y por haberme dado los consejos que en su momento necesitaba. A MIS AMIGOS: Por la amistad incondicional que siempre me han brindaron durante todos estos años. A MI ASESOR DE TESIS: AL ING. HUGO ISMAEL NOBLE PEREZ Por sus atenciones y consejos como profesor y como ser humano, por haberme brindado algunos de sus conocimientos, que mas adelante me servirán para desempeñarme en la vida como profesional y por apoyarme en la realización de este trabajo en base a su experiencia en el ámbito escolar y laboral. 2 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana A MIS SINODALES: ING. CIRO CASTILLO PEREZ MC. ALFREDO GONZALES FUENTE VILLA Por brindarme los conocimientos necesarios en cada una de las materias impartidas a lo largo de la vida estudiantil, y por su participación en la elaboración de este trabajo. A MIS PROFESORES: Por haberme enseñado lo indispensable de cada una de las materias impartidas y por haberme regalado algunas de sus experiencias en sus vidas tanto profesionales como sociales que considero que son de mucha importancia para iniciar mi vida profesional A TODOS Y CADA UNO DE USTEDES MUCHAS GRACIAS. 3 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana INDICE Introducción----------------------------------------------------------------------------------------1 Justificación-----------------------------------------------------------------------------------------3 Problemática actual ------------------------------------------------------------------------------4 Impacto ambiental---------------------------------------------------------------------------------4 Objetivo general, objetivos específicos, hipótesis general -----------------------------5 CAPÍTULO I. ASPECTO TÉCNICO Y GENERALIDADES. 1.1 Conceptos generales ----------------------------------------------------------------------7 1.2 Concepto de regulador de voltaje -----------------------------------------12 1.2.1 Principios de funcionamiento-------------------------------------------------12 1.2.2 Beneficios de contar con un regulador de voltaje-----------------------14 1.2.3 Regulador adecuado-----------------------------------------------------------14 CAPITULO II. FUNCIONAMIENTO Y TIPOS DE REGULADORES DE VOLTAJE. 2.1 Funcionamiento -----------------------------------------------------------------------------17 2.1.1 Necesidad de regulación-------------------------------------------------------------18 4 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 2.2 Símbolo, definición de reguladores de tensión -----------------------------------------19 2.3 Reguladores electromecánicos --------------------------------------------------------23 2.4 Red de reguladores ----------------------------------------------------------------------------26 2.5 Coil rotación del regulador de voltaje de CA ---------------------------------------------27 2.6 Estabilizadores de voltaje de CA.------------------------------------------------------------28 2.7 Reguladores activos -------------------------------------------------------------------31 2.7.1 Reguladores lineales ------------------------------------------------------------------32 2.7.2 Reguladores de conmutación---------------------------------------------------------33 2.8 Comparando lineales y reguladores reconmutación--------------------------------------34 2.9 Reguladores SCR---------------------------------------------------------------------------------35 2.10 Combinación (híbrido) reguladores -----------------------------------------------------------35 CAPÍTULO III. OPERACIÓN DEL REGULADOR VOGAR Y PUESTA A TIERRA. 3.1 Regulador vogar-------------------------------------------------------------------------------------37 3.2 Recomendaciones para una operación segura y eficiente del regulador------------38 3.3 Normas de seguridad del regulador vogar----------------------------------------------------39 3.4 Criterios establecidos por ANCE---------------------------------------------------------------41 3.5 Objetivo y elementos de un regulador de voltaje vogar----------------------------------43 3.5.1 Elementos del acondicionador de voltaje---------------------------------------44 5 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.6 Características del regulador--------------------------------------------------------------------45 3.7 Diagrama de regulación---------------------------------------------------------------------------46 3.8 Conexión del regulador de voltaje vogar------------------------------------------------------48 3.8.1 Configuración de una instalación eléctrica básica----------------------------49 3.9 Puesta en marcha y encendido del regulador vogar---------------------------------------50 3.10 Mantenimiento y recomendaciones del regulador vogar -------------------------------52 3.11 Cuadros de posibles soluciones a fallas. ---------------------------------------------------54 3.12 Sistemas de puesta a tierra.--------------------------------------------------------------------55 3.13 Puesta a tierra de equipos electrónicos -----------------------------------------------------58 3.14 Esquemas y Disposiciones de Conexión a Tierra-----------------------------------------59 3.14.1 Esquema convencional--------------------------------------------------------------59 3.14.2 Esquema de tierra aislada ----------------------------------------------------------62 3.14.3 Esquema de tierra aislada total ----------------------------------------------------68 3.14.4 Esquema de malla de referencia---------------------------------------------------70 3.15 Valores puesta a tierra adecuada en base a la NOM 001------------------------------71 3.15.1 Secretaria del trabajo y previsión social------------------------------------------72 3.16 Consideraciones finales -------------------------------------------------------------------------75 6 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana CAPITULO IV. INSTALACIÓN DE CORRIENTE REGULADA DE LOS LABORATORIOS DE INVESTIGACIÓN Y DE FISICA DE LA UNIVERSIDAD VERACRUZANA CAMPUS COATZACOALCOS. 4.1 Localización y orientación de los laboratorios de investigación y de física.-------77 4.1.1 Plano de distribución eléctrica de los laboratorios. ----------------------------78 4.2 Cuadro de cargas reguladas de los laboratorios de física y de investigación----79 4.3 Diagrama unifilar General.---------------------------------------------------------------------80 4.4 Calculo para la selección de regulador adecuado.--------------------------------------81 4.4.1 Selección de regulador adecuado---------------------------------------------------83 4.4.2 Herramientas útiles para la selección----------------------------------------------85 4.5 Características de funcionalidad del regulador Vogar.--------------------------------86 4.6 Especificaciones del regulador empleado.------------------------------------------------87 4.7 Calculo de calibre de los conductores de alimentación al regulador.--------------89 4.7.1 Calculo por corriente-------------------------------------------------------------------89 4.7.2 Por caída de tensión--------------------------------------------------------------------92 4.7.3 Calculo del diámetro de la tubería a utilizar --------------------------------------93 Conclusiones----------------------------------------------------------------------------------------94 Recomendaciones.---------------------------------------------------------------------------------96 Bibliografía--------------------------------------------------------------------------------------------99 7 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana INTRODUCCIÓN Actualmente la ciencia y la tecnología se han desarrollado rápidamente en las últimas décadas. En poco tiempo, se ha visto la necesidad de aportar diseños de instalaciones eléctricas de corriente regulada a la vida diaria, ya que nos brinda mejores protecciones contra los cambios climatológicos y posibles fallas en el servicio de la compañía suministradora también nos permite ahorrar energía eléctrica y dinero y contribuir al cuidado del planeta. La corriente regulada es un método de protección a equipos electrónicos e instalaciones eléctricas completas, aparatos o equipo eléctrico sofisticado, fabricas, entre otros. También es excelente en el ahorro de energía eléctrica, Elimina los recursos económicos gastados innecesariamente, aprovechando todo el potencial instalado: recursos técnicos, humanos, materiales, y de tiempo. Incremento en la productividad y eficiencia del sistema protegido así como aumento de la vida útil de sus equipos. Este trabajo, el cual lleva por título: “INSTALACION DE CORRIENTE REGULADA PARA LOS LABORATORIOS DE FISICA E INVESTIGACION DE LA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA.” Se elaboro con tres objetivos principales: 1. Qué las industrias, comercios y escuelas dispongan de información útil de cómo realizar una instalación de corriente regulada. 2. Promover en la universidad veracruzana proyectos de instalación de corriente regulada. 3.- Vincular al alumno con la investigación de nuevas formas de ahorro de energía para armonizar con la naturaleza y contribuir en la economía. 8 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Este trabajo, se estructuró en cuatro capítulos de tal forma que se entienda Con claridad los temas aquí presentados. Los capítulos son: Capítulo 1. – Aspecto técnico y generalidades En este capítulo mencionaremos los aspectos técnicos de la corriente regulada, su historia conceptos y algunas definiciones pertinentes. Capitulo 2.- Funcionamiento y tipo de reguladores de voltaje En este capítulo detallaremos los tipos de reguladores y sus diferentes características y su funcionalidad. Capitulo 3.-operación del regulador vogar y puestas a tierra. Este capitulo lo desarrollamos de tal manera que sea como una guía practica que nos muestra cómo opera el regulador vogar y algunas recomendaciones al instalar el regulador de voltaje además de la instalación de puesta tierra del equipo. Capítulo 4 – instalación de corriente regulada de los laboratorios de investigación y de física de la universidad veracruzana campus Coatzacoalcos. En este capitulo Presentaremos un ejemplo de una instalación real que se llevo acabo en la universidad veracruzana campus Coatzacoalcos en el laboratorio de investigación y de física de la universidad veracruzana. Es conveniente indicar el cálculo de la instalación ya que así podemos definir que tipo de regulador y los calibres de los conductores que debe de llevar la instalación eléctrica. 9 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana JUSTIFICACIÓN En la ciudad de México existe un escaso conocimiento de los beneficios de contar con una instalación de corriente regulada, para la mayoría de los mexicanos la electricidad es algo que siempre esta disponible en los hogares, sin conocer toda la infraestructura que hay de tras de cada instalación, que en la mayoría de los casos estas instalaciones pueden ser afectadas por factores climatológicos o de cualquier otro tipo de índole, Por ello es que mostramos de manera simplificada al ojo del alumno y del ciudadano común un ejemplo real de una instalación de corriente regulada tomando como ejemplo las instalaciones reguladas de los laboratorios de energía y física de la universidad veracruzana campus Coatzacoalcos. Es por eso que se presenta la posibilidad de y realizar este trabajo ya que mediante el podemos impulsar el uso de instalaciones de corriente regulada, que son de gran importancia en lugares como los laboratorios, hospitales, palacios de justicia, escuelas bancos etc. Donde se maneja información preciada y equipo que contienen tarjetas electrónicas que están expuestos alas inclemencias del tiempo o a las fallas de la infraestructura eléctrica de la compañía suministradora, es importante conocer que estas instalaciones no son muy difíciles de llevar a cabo como normalmente se creé, y es mas importante saber que contar con una instalación de corriente regulada no solo protege a los equipos si no también cuando es correctamente instalada siguiendo las normas y haciendo los cálculos pertinentes puede brindarnos buenos rendimientos en cuanto al consumo de energía eléctrica. 10 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana PROBLEMÁTICA ACTUAL Hoy en día la mayoría de los equipos eléctricos y electrónicos contienen tarjetas electrónicas que son susceptibles de dañarse por una variación de voltaje por lo que surgió la necesidad de hacer uso de instalaciones de corriente regulada. Esto fue razón suficiente para proponer las instalaciones de corriente regulada, con la finalidad de que las nuevas generaciones y los que actualmente son estudiantes de ingeniería, tengan un panorama mas claro acerca de los beneficios que brindan este tipo de protecciones tanto para los equipos como para los usuarios IMPACTO AMBIENTAL No tiene impacto ambiental debido a que todos los materiales de desechos son almacenados para venderlos a plantas recicladoras. 11 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana OBJETIVO GENERAL Realizar una guía práctica que sirva de consulta para el alumnado, basándose en un ejemplo real que muestra detalladamente la instalación de corriente regulada de los laboratorios de física y de investigación de la universidad veracruzana campus Coatzacoalcos. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Establecer los principios teóricos de reguladores de voltaje. Desarrollar el análisis de la importancia de realizar una instalación de corriente regulada y como afecta económicamente a la sociedad. Realizar los cálculos necesarios para la correcta instalación del sistema de regulación. Apegarse a las normas oficiales mexicanas. Desarrollo de un ejemplo real de la instalación que se llevo acabo en la universidad veracruzana campus Coatzacoalcos en el laboratorio de investigación y de física. HIPÓTESIS GENERAL Este trabajo puede dar a conocer algunos de los requerimientos para llevar a cabo una instalación de corriente regulada a los alumnos de la Carrera de Ingeniería Mecánica Eléctrica de la Universidad Veracruzana Campus Coatzacoalcos 12 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana CAPÍTULO I ASPECTO TÉCNICO Y GENERALIDADES 13 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 1.1 Conceptos generales. Definiciones generales NOM 001 sede 2005 aplicables a este tema articulo 100. Acometida: Conductores de acometida que conecta la red del suministrador al alambrado del inmueble a servir. Alimentador: Todos los conductores de un circuito entre el equipo de acometida o la fuente de un sistema Derivado separadamente u otra fuente de alimentación y el dispositivo final de protección contra sobrecorriente del circuito derivado. Aparato eléctrico: Equipo de utilización, generalmente no industrial, que se fabrica en tamaños normalizados y que se instala o conecta como una unidad para realizar una o más funciones, como lavar ropa, acondicionar aire, mezclar alimentos, freír, etcétera. A tierra: Conexión conductora, intencionada o accidental, entre un circuito o equipo eléctrico y el terreno natural o algún cuerpo conductor que sirva como tal. Capacidad de conducción de corriente: Corriente eléctrica expresada en amperes (A), que un conductor eléctrico puede conducir continuamente, bajo condiciones de uso, sin exceder su temperatura nominal. 14 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Carga continua: Aquella con la que se espera que la corriente eléctrica máxima continúe circulando durante tres horas o más. Circuito derivado de uso general: Circuito derivado que alimenta a diversas salidas para alumbrado y aparatos eléctricos. Circuito derivado individual: Circuito derivado que alimenta a un solo equipo de utilización. Conductor del electrodo de puesta a tierra: Conductor utilizado para conectar el electrodo de puesta a tierra al conductor de puesta a tierra del equipo, al conductor puesto a tierra o a ambos, del circuito en el equipo de acometida o en la fuente de un sistema derivado separado. Conductor desnudo: Conductor que no tiene ningún tipo de cubierta o aislamiento eléctrico. Conductor de puesta a tierra: Conductor utilizado para conectar un equipo o el circuito puesto a tierra de un sistema de alambrado al electrodo o electrodos de puesta a tierra. Conductor de puesta a tierra de los equipos: Conductor utilizado para conectar las partes metálicas no-conductoras de corriente eléctrica de los equipos, canalizaciones y otras envolventes al conductor del sistema puesto a tierra, al conductor del electrodo de puesta a tierra o ambos, en los equipos de acometida o en el punto de origen de un sistema derivado separado. 15 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Interruptor automático: Dispositivo diseñado para abrir y cerrar un circuito ya sea por medios no-automáticos y para abrir el circuito automáticamente a una sobrecorriente en condiciones predeterminadas, sin dañarse a sí mismo, cuando se aplica apropiadamente dentro de su valor nominal. Interruptor de circuito por falla a tierra: Dispositivo diseñado para la protección de personas, que funciona para des energizar un circuito o parte del mismo, dentro de un período determinado, cuando una corriente eléctrica a tierra excede un valor predeterminado, menor al necesario para accionar el dispositivo de protección contra sobrecorriente del circuito de alimentación. Protección de falla a tierra de equipos: Sistema diseñado para dar protección a los equipos contra daños por corrientes de falla entre línea y tierra, que hacen funcionar un medio de desconexión que desconecta los conductores no-puestos a tierra del circuito afectado. Esta protección es activada a niveles de corriente eléctrica inferiores a los necesarios para proteger a los conductores contra daños mediante la operación de un dispositivo de protección contra sobrecorriente del circuito alimentador. Puesto a tierra eficazmente: Conectado al terreno natural intencionalmente a través de una conexión o conexiones a tierra que tengan una impedancia suficientemente baja y capacidad de conducción de corriente, que prevengan la formación de tensiones eléctricas peligrosas a las personas o a los equipos conectados. Sobrecarga: Funcionamiento de un equipo excediendo su capacidad nominal, de plena carga, o de un conductor que excede su capacidad de conducción de corriente nominal, cuando tal funcionamiento, al persistir por suficiente tiempo 16 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Puede causar daños o sobrecalentamiento peligroso. Una falla, tal como un cortocircuito o una falla a tierra, no es una sobrecarga (véase Sobrecorriente). Sobrecorriente: Cualquier corriente eléctrica en exceso del valor nominal de los equipos o de la capacidad de conducción de corriente de un conductor. La sobrecorriente puede ser causada por una sobrecarga (véase definición de "sobrecarga"), un cortocircuito o una falla a tierra. Tablero de distribución: Panel grande sencillo, estructura o conjunto de paneles donde se montan, ya sea por el frente, por la parte posterior, o en ambos lados, Los tableros de distribución de fuerza son accesibles generalmente por la parte frontal y la posterior, y no están previstos para ser instalados dentro de gabinetes. Tensión eléctrica a tierra: En los circuitos puestos a tierra, es la tensión eléctrica entre un conductor dado y aquel punto o el conductor del circuito que es puesto a tierra. En circuitos no-puestos a tierra, es la mayor diferencia de potencial entre un conductor determinado y otro conductor de referencia del circuito. Tensiones eléctricas. A lo largo de esta NOM, las tensiones eléctricas consideradas deben ser aquellas a las que funcionan los circuitos. La tensión eléctrica nominal de un equipo eléctrico no debe ser inferior a la tensión eléctrica real del circuito al que está conectado. 17 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Tensión eléctrica nominal. Es el valor asignado a un sistema, parte de un sistema, un equipo o a cualquier otro elemento y al cual se refieren ciertas características de operación o comportamiento de éstos. Fusible: Dispositivo de protección contra sobrecorriente con una parte que se funde cuando se calienta por el paso de una sobrecorriente que circule a través de ella e interrumpe el paso de la corriente eléctrica en un tiempo determinado. 18 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 1.2 Concepto de regulador de voltaje Un regulador de Voltaje (también llamado estabilizador de voltaje o acondicionador de voltaje) es un equipo eléctrico que acepta una tensión de voltaje variable a la entrada, dentro de un parámetro predeterminado y mantiene a la salida una tensión constante (regulada). Existen diversos tipos de reguladores de voltaje, los más comunes son de dos tipos: para uso domestico o industrial. Los primeros son utilizados en su mayoría para proteger equipo de cómputo, video, o electrodomésticos. Los segundos protegen instalaciones eléctricas completas, aparatos o equipo eléctrico sofisticado, fabricas, entre otros. El costo de un regulador de voltaje estará determinado en la mayoría de los casos por su calidad y vida útil en funcionamiento continuo. 1.2.1 Principios de funcionamiento Existen diversos tipos de reguladores en el mercado, los cuales se clasifican de acuerdo al principio de regulación que utilizan. Los más importantes son: Los reguladores electromecánicos basan su principio de funcionamiento en un auto transformador de columna, sobre la cual se dispone un cursor accionado por un servomotor, que en su recorrido suma o resta espiras. Este movimiento de auto ajuste es controlado por un comando electrónico, que se activa cada vez que la tensión de salida se desvía de su valor de calibración, ajustándose automáticamente y con ello mantiene permanentemente el voltaje de salida estable. 19 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Las ventajas que ofrece este principio son que cuenta con una alta precisión de voltaje +/- 1.5% y eficiencia del 99%, teniendo capacidad de sobrecarga de hasta 500% sin generación de contenido armónico. Además su vida útil es mayor a 25 años en funcionamiento continuo a plena carga por su diseño, tecnología y robustez. Los reguladores electrónicos o a veces llamados acondicionadores, utilizan microprocesadores para regular el voltaje de manera monofásica. Su tiempo de respuesta y velocidad de regulación son muy rápidos además de ser económicos en comparación a los otros tipos. Los rangos de voltaje de entrada son reducidos y la precisión del voltaje de salida es de +/- 3% a +/- 5%. Además su diseño propicia que se desconecten para autoprotegerse en condiciones extremas de alto y bajo voltaje tendiendo a fallar y generando costos de mantenimiento, si es que pueden ser reparados, lo que puede ser muy costoso o en otras palabras, los convierte en productos de corta duración. Los reguladores ferrosonantes son diseñados para proveer voltaje regulado a través de un núcleo el cual esta magnéticamente saturado a determinado voltaje y frecuencia. Los problemas se hacen claros al generar armónicos, siendo muy sensibles a cambios de frecuencia y teniendo una eficiencia del 70-80%. Ello significará que solamente por tener al regulador conectado va a consumir en promedio 15-25% de su capacidad. Energía que pagara el usuario además de provocar calentamiento lo que reducirá la vida útil del mismo. 20 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 1.2.2 Beneficios de contar con un Regulador de Voltaje 1. Funcionamiento permanente y seguro de todos sus equipos, las variaciones de voltaje de la red eléctrica no afectarán el funcionamiento, la calidad de sus procesos y tiempo de fabricación. 2. Eliminar los recursos económicos gastados innecesariamente, aprovechando todo el potencial instalado: recursos técnicos, humanos, materiales, y de tiempo. 3. Incremento en la productividad y eficiencia del sistema protegido así como aumento de la vida útil de sus equipos. 1.2.3 Regulador adecuado La capacidad de los reguladores se mide en kVA. Para seleccionar el equipo que Usted necesita será necesario conocer cuatro puntos importantes: 1. Voltaje de entrada o alimentación de los equipos a proteger: Es la tensión de salida del regulador y de entrada que requerirá su maquinaria, equipos o instalaciones para su correcto funcionamiento. Puede ser localizado en la placa de datos o manual de instalación del equipo o maquinaria a proteger. La tensión de la red eléctrica variará de un país a otro así como el voltaje de alimentación de sus equipos dependiendo de su origen. 2. Consumo de los equipos: Datos localizados en la placa de datos o manual de instalación del equipo o maquinaria, puede estar expresado en: - Watts para equipos monofásicos y Kilowatts en sistemas trifásicos (1 kW= 1000 watts) - Amperes - HP 21 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3. Campo de regulación del equipo: Es la capacidad que tiene el regulador de corregir las variaciones de voltaje de la línea eléctrica. Cuando el campo de regulación es insuficiente podemos fabricar un equipo con un rango adecuado a la necesidad. Para este caso es necesario monitorear o graficar la línea de alimentación para determinar los limites máximo y mínimo de variación de la línea. 4. Número de fases de alimentación de los mismos: Se determina a través de la placa de datos o manual de instalación del equipo o maquinaria a proteger. Los sistemas eléctricos convencionales pueden ser: - Monofásicos - Bifásicos con neutro - Bifásicos sin neutro (para equipos monofásicos de 220 V) - Trifásicos 22 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana CAPITULO II FUNCIONAMIENTO Y TIPOS DE REGULADORES DE VOLTAJE 23 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 2.1 Funcionamiento Un regulador de tensión eleva o disminuye la corriente para que el voltaje sea estable, es decir, para que el flujo de voltaje llegue a un aparato sin irregularidades. Esto, a diferencia de un "supresor de picos" el cual únicamente evita los sobre voltajes repentinos (picos). Un regulador de voltaje puede o no incluir un supresor de picos. Cuando el voltaje excede cierto límite establecido en el protector de picos es desviado hacia una línea a tierra, evitando así que se dañe el aparato eléctrico delicado. Un protector de picos consta de los siguientes componentes: Un fusible o un protector termomagnético que desconecta el circuito cuando se está sobrepasando el límite de voltaje, o en caso de una descarga. Un transformador. Resistencia variable. Diodo Zener también conocido como diodo de supresión de voltaje. Estos aparatos se utilizan desde hace ya mucho tiempo, sólo que era común verlos protegiendo los televisores. Actualmente es normal verlos en los equipos de cómputo. A un regulador de voltaje ya conectado con el ordenador, no se le debe conectar ninguna otra cosa, por ejemplo si le conectamos una aspiradora se quemará el fusible del regulador en cuanto la encendamos, si una cantidad así llega a la computadora, lo menos que pasaría sería que la fuente o la tarjeta madre se quemaran. 24 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 2.1.1 Necesidad de regulación La tensión que llega a las tomas de corriente de los hogares, no es adecuada, en general, para alimentar los aparatos electrónicos, ya que es una tensión cuyo valor y sentido de circulación cambia periódicamente. La mayoría de los circuitos electrónicos necesitan una tensión de menor amplitud y valor continuo en el tiempo. Lo primero que se hace es reducir esta tensión con un transformador, después se rectifica para que circule en un solo sentido, y luego se añade un filtro que absorberá las variaciones de tensión; todos estos bloques componen la fuente de alimentación regulada básica. Para circuitos más sensibles o para dar una alimentación de mayor calidad, se hace necesaria la inserción en la fuente de alimentación del bloque regulador de tensión, el cual va a proporcionar una tensión constante, además de disminuir el pequeño rizado que queda en la tensión tras pasar por el filtro. 25 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 2.2 Símbolo en electrónica y concepto básico de un Regulador de voltaje. Símbolo electrónica para el regulador de voltaje Un regulador de tensión es un regulador eléctrico diseñado para mantener automáticamente una nivel de tensión constante. Se puede utilizar un mecanismo electromecánico, los componentes electrónicos o pasivos o activos. Dependiendo del diseño, puede ser utilizado para regular una o más voltajes de CA o de CC. Con la excepción de algunos reguladores antiguos, todos los modernos reguladores de voltaje electrónicos operan mediante la comparación de la tensión de salida real a la tensión de algunos internos de referencia fija. Cualquier diferencia se amplifica y se utiliza para controlar el elemento de regulación de tal manera que se reduzca el error de tensión. 26 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana El aumento de la ganancia de lazo abierto tiende a aumentar la precisión de regulación, pero reduce la estabilidad (evita la oscilación). También habrá un equilibrio entre la estabilidad y la velocidad de la respuesta a los cambios. Si la tensión de salida es demasiado baja (tal vez debido a la tensión de entrada de la reducción o aumento de la corriente de carga), se ordenó el elemento de regulación, hasta cierto punto, para producir una tensión de salida - dejando caer menos de la tensión de o para llamar la corriente de entrada por períodos más largos (impulso de tipo cambio de los reguladores). Si el voltaje de salida es demasiado alto, el elemento de regulación normalmente se reordenó a producir una tensión más baja. Sin embargo, muchos reguladores tienen un exceso de protección actual, de modo que todo abastecimiento actual se detiene (o limita la corriente de alguna manera) si la corriente de salida es demasiada alta. Algunos reguladores también se pueden cerrar si el voltaje de entrada está fuera de un determinado alcance. 27 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana El voltaje de salida sólo puede ser considerado más o menos constante, se especifica mediante dos medidas: Regulación de la carga es la variación de voltaje de salida para un cambio dado en la corriente de carga (por ejemplo: "típicamente 15mV, 100mV máximo de las corrientes de carga entre 5 mA y 1,4 A, en alguna temperatura y voltaje de entrada"). Reglamento de la línea o la regulación de entrada es el grado en que los cambios de voltaje de salida con la entrada, las variaciones de tensión - como proporción de la producción a cambio de entrada (por ejemplo "típico 13mV / V"), o el cambio de tensión de salida sobre la entrada especificada todo Rango de voltaje (por ejemplo, "más o menos 2% para los voltajes de entrada entre 90V y 260V, 50-60Hz). Otros parámetros importantes son: Coeficiente de temperatura de la tensión de salida es el cambio de la tensión de salida con la temperatura (tal vez como promedio durante un intervalo de temperaturas). Precisión inicial de un regulador de voltaje (o simplemente "la exactitud de tensión") refleja el error en el voltaje de salida de un regulador fijo sin tener en cuenta la temperatura o los efectos del envejecimiento sobre la exactitud de salida. 28 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana -Voltaje de salida - la diferencia mínima entre el voltaje de entrada y voltaje de salida para que el regulador aún puede proporcionar la corriente especificada. -Una baja caída de salida, el regulador está diseñado para funcionar bien, incluso con una fuente de entrada de sólo un voltio más o menos por encima de la tensión de salida. -Valores nominales máximos absolutos se definen los componentes del regulador, especificando las corrientes de salida continua y pico que pueden utilizarse (a veces limitada internamente), la tensión máxima de entrada, la disipación de potencia máxima a una temperatura dada, etc. -Salida de ruido (ruido blanco térmica) y la impedancia de salida dinámica se puede especificar con gráficos en función de la frecuencia, mientras que el ruido de flujo de salida (toma de corriente "zumbido" o cambiar el modo de "control" de ruido) se puede administrar como pico a pico o tensiones RMS, o en términos de su espectro. -Consumo en reposo en un circuito regulador es la corriente consumida internamente, no disponible a la carga, normalmente se mide como la corriente de entrada, mientras que la carga no está conectada (y por tanto una fuente de ineficiencia, y algunos reguladores lineales son, sorprendentemente, más eficientes con la corriente muy baja). 29 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 2.3 Reguladores electromecánicos Muelle Núcleo El diseño de circuito para el regulador de tensión de un simple electromecánico. Interior de un antiguo regulador de voltaje electromecánico. 30 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana En los antiguos reguladores electromecánicos, la regulación de voltaje se realiza fácilmente al enrollar el cable de detección para hacer un electroimán. El campo magnético producido por la corriente atrae a un núcleo de hierro en movimiento retenido bajo la tensión del muelle o de atracción gravitacional. A Medida que aumenta la tensión, también lo hace el campo, el fortalecimiento del campo magnético producido por la bobina y tirando el núcleo hacia el campo. El imán está físicamente conectado a un interruptor de energía mecánica, que se abre a medida de que el imán entra en el campo. A medida que disminuye el voltaje, también lo hace el campo, la liberación de la tensión del resorte o el peso del núcleo y provocando que se retraiga. Esto cierra el interruptor y permite que el poder fluya una vez más. Si el diseño del regulador mecánico es sensible a las fluctuaciones de voltaje pequeño, el movimiento del núcleo del solenoide puede ser utilizado para mover el selector a través de una serie de resistencias o bobinas del transformador para el paso poco a poco la tensión de salida hacia arriba o abajo, o para rotar la posición de una (moving-coil) bobina en movimiento al regulador AC. A principios los generadores de automóviles y alternadores tenían un regulador de tensión mecánica con uno, dos o tres relés y resistencias diferentes para estabilizar la salida del generador en poco más de 6 o 12 V, independiente de la rpm´s del motor o de la carga variable sobre el vehículo eléctrico sistema. 31 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Esencialmente, el relay (s) empleado en la modulación con pulso para regular la salida del generador, el control de la corriente de excitación de llegar al generador (o alternador) y de esta manera el control de la tensión de salida producida. Los reguladores utilizados para los generadores (pero no alternadores) también desconecta el generador cuando no produce electricidad, lo que impide la descarga de la batería, dentro del generador y tratar de ejecutarlo como un motor. Los diodos rectificadores en un alternador realizan esta función de forma automática de manera que un relé específico no es necesario, lo que simplifica considerablemente el diseño del regulador. Los diseños más modernos ahora utilizan la tecnología de estado sólido (transistores) para realizar la misma función de los relés en los reguladores electromecánicos. 32 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 2.4 Red de reguladores Los reguladores electromecánicos se han utilizado también para regular el voltaje en las líneas de distribución de CA de energía. Estos reguladores suelen operar seleccionando la toma adecuada de un transformador con toma múltiple Si la tensión de salida es demasiado baja, el conmutador cambia conexiones para producir un mayor voltaje. Si la tensión de salida es demasiado alta, el conmutador cambia conexiones para producir una tensión más baja. Los controles proporcionan una banda muerta en la que el controlador no actúa, protege al controlador de cambios constantes o ajustes constantes de la tensión que se requieren para alcanzar el objetivo deseado de tensión. 33 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 2.5 Rotación de Bobina del regulador de voltaje de CA Principios básicos de diseño y diagrama de circuito de la rotación de bobina del regulador de voltaje de CA. Se trata de un tipo más antiguo de regulador utilizado en la década de 1920 que utiliza el principio de una bobina fija la posición de campo y una bobina de segundo campo que se pueden girar sobre un eje en paralelo con la bobina fija. Cuando la bobina móvil se coloca perpendicular a la bobina fija, las fuerzas magnéticas que actúan sobre el equilibrio de la bobina móvil el uno al otro y la tensión de salida no se modifica. La rotación de la bobina en un sentido o en otro fuera de la posición central aumentará o disminuirá la tensión en la bobina móvil secundaria. Este tipo de regulador se puede automatizar a través de un mecanismo de servo control para avanzar en la posición de la bobina móvil con el fin de proporcionar incremento de la tensión o disminuir. Un mecanismo de frenado o la relación de elevado apalancamiento se utiliza para mantener la bobina de rotación en contra lugar de las poderosas fuerzas magnéticas que actúan sobre la bobina móvil. 34 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 2.6 Estabilizadores de voltaje de CA Un estabilizador de tensión es un tipo de regulador de la red de hogares que utiliza un autotransformador variable de forma continua para mantener una salida de CA que es lo más cercano a la tensión de red estándar o normal como sea posible, en condiciones de fluctuación. Se utiliza un servomecanismo (o feedback negativo) para controlar la posición de la llave (o limpia) del autotransformador, generalmente con un motor. Un aumento de la tensión de la red provoca que la salida aumento, que a su vez provoca el grifo (o limpia) para moverse en la dirección que reduce la salida hacia la tensión nominal. Un método alternativo es el uso de un tipo de saturación de transformador llamado un transformador ferroresonant o transformador de tensión constante. Estos transformadores utilizan un circuito compuesto por un alto voltaje de resonancia de liquidación y un condensador para producir una media de salida casi constante con una potencia variable.. El enfoque ferroresonant es atractivo debido a su falta de componentes activos, basándose en las características de saturación de la plaza del bucle del circuito tanque para absorber las variaciones de tensión de entrada a la media. 35 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana En los antiguos diseños de transformadores de ferroresonant había una salida con un contenido de armónicos altos, llevando a una forma de onda de salida distorsionada. Los dispositivos modernos son usados para construir una onda senoidal perfecta. La acción ferroresonant es un limitador de flujo en lugar de un regulador de tensión, pero con una frecuencia fija de suministro que puede mantener casi constante la tensión media de salida, aun cuando la tensión de entrada varía ampliamente. Los transformadores de ferroresonant, que también son conocidos como transformadores de voltaje constante (CVT) o ferros, también son buenos supresores de sobretensión, ya que proporcionan un alto aislamiento y protecciones inherentes cortocircuito. Un transformador de ferroresonant puede funcionar con un rango de voltaje de entrada ± 40% o más de la tensión nominal. Factor de potencia de salida se mantiene en el rango de 0,96 o más de la mitad a plena carga. Debido a que se regenera una onda de tensión de salida, la distorsión de salida, que normalmente es inferior al 4%, es independiente de cualquier distorsión de la tensión de entrada, incluyendo muescas. Eficiencia a plena carga es típicamente en el rango de 89% a 93%. Sin embargo, con cargas bajas, la eficiencia puede caer por debajo del 60% y sin pérdidas de carga puede ser tan alta como 20%. La actual capacidad de limitar también se convierte en una desventaja cuando una formación profesional continua se utiliza en una aplicación con moderada a alta corriente de arranque, como motores, transformadores o imanes 36 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana En este caso, el CTV tiene que ser de buen tamaño para adaptarse a la corriente máxima, lo que le obliga a circular con cargas bajas y poca eficiencia. El mantenimiento necesario es mínimo ya que los Transformadores y condensadores que pueden ser muy fiables. Algunas unidades han incluido capacitores redundantes lo que produce que varios capacitores fallaran en las inspecciones sin ningún efecto notable en el rendimiento del dispositivo. La Tensión de salida varía alrededor de 1,2% para el cambio cada 1% en la frecuencia de suministro Por ejemplo, un cambio de 2 Hz de la frecuencia del generador, que es muy grande, se traduce en un cambio de voltaje de salida de sólo el 4%, que tiene poco efecto para la mayoría de las cargas. Cuenta con un 100% una sola fase de poder, en el modo-switch de suministro sin ningún tipo de requisito para la reducción, incluyendo todos los componentes neutros. La distorsión de entrada actual es inferior al 8% THD, aun cuando el suministro de cargas no lineales con más de 100% THD actual. Inconvenientes de CVT (transformadores de voltaje constante) son su mayor tamaño, zumbido audible, y la generación de calor de alta. 37 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 2.7 Reguladores activos Los reguladores Activos emplean al menos un activo (amplificador) como componente de un transistor o amplificador operacional. La Derivación reguladores son a menudo (pero no siempre) pasivos y sencillo, pero siempre ineficientes debido a que (esencialmente) de volcado de la corriente del exceso no es necesario por la carga. Cuando más poder debe ser suministrado, se usan circuitos más complejos. En general, estos reguladores activa puede dividirse en varias clases: Reguladores de la serie lineal Reguladores de conmutación Reguladores SCR 38 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 2.7.1 Reguladores lineales Regulador lineal Reguladores lineales se basan en dispositivos que operan en su región lineal (en contraste, un regulador de conmutación se basa en un dispositivo obligados a actuar como un interruptor on / off). En el pasado, uno o más tubos de vacío eran usados comúnmente como la resistencia variable. Los diseños modernos utilizan uno o más transistores en su lugar, tal vez dentro de un circuito integrado. Los Diseños lineales tienen la ventaja de una salida muy "limpia" con poco ruido introducido en su salida de CC, pero a menudo son mucho menos eficientes y capaces de invertir el voltaje de entrada, como fuentes de encendido. Todos los reguladores lineales están disponibles como circuitos integrados. Estos chips vienen en los tipos de tensión fija o ajustable. 39 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 2.7.2 Reguladores de conmutación Los Reguladores de conmutación cambian rápidamente un dispositivo de serie dentro y fuera. El ciclo de servicio del conjunto de interruptores de carga de establece cuánta carga se transfiere. Esto es controlado por un mecanismo de retroalimentación similar a la de un regulador lineal. Los Reguladores de conmutación también son capaces de generar voltajes de salida que son superiores a la de entrada, o de polaridad opuesta - algo que no es posible con un diseño lineal. Al igual que los reguladores lineales, los reguladores de conmutación completa también están disponibles o se encuentran como circuitos integrados. A diferencia de los reguladores lineales, estos por lo general requieren de un componente externo: una bobina que actúa como elemento de almacenamiento de energía (Grandes inductores de valor tienden a ser físicamente grande en relación con casi todos los otros tipos de componentes, por lo que rara vez son fabricados dentro de los circuitos integrados y los reguladores IC - con algunas excepciones. 40 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 2.8 Comparando lineal vs reguladores de conmutación Los dos tipos de reguladores tienen sus ventajas diferentes: Reguladores lineales son mejores cuando se requiere la producción de ruido bajo (y el ruido de RFI bajo radiada) Reguladores lineales son mejores cuando se requiere una respuesta rápida a perturbaciones de entrada y de salida. A bajos niveles de potencia, reguladores lineales son más baratas y ocupan menos impresos espacio placa de circuito. Reguladores de conmutación son mejores cuando la eficiencia energética es crítica (como en los ordenadores portátiles), con excepción de reguladores lineales son más eficientes en un pequeño número de casos (como el microprocesador de 5V a menudo en modo "dormido" alimentado por una batería de 6V, si la complejidad de la conmutación de circuitos y la capacidad de la unión, una corriente de carga de alta corriente de reposo en el regulador de conmutación). Reguladores de conmutación son necesarios cuando la fuente de alimentación sólo es una tensión continua, y una tensión de salida es obligatorio. En altos niveles de poder (por encima de unos pocos vatios), reguladores de conmutación son más baratos (por ejemplo, el costo de remover el calor generado es menor). 41 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 2.9 Reguladores SCR Los Reguladores de potencia de circuitos de alimentación de CA pueden utilizar silicio rectificador controlado (SCR) como dispositivo de serie. Cada vez que el voltaje de salida está por debajo del valor deseado, el SCR se activa, permitiendo que la electricidad fluya en la carga hasta la tensión de red AC pasa por cero (ponen fin al medio ciclo). Los SCR tienen la ventaja de ser a la vez muy eficientes y muy simples, pero no pueden terminar un medio ciclo en curso de conducción, no son capaces de regulación de tensión muy precisos en respuesta a la rápida evolución de las cargas. 2.10 Combinación (híbrido) reguladores Muchas fuentes de poder utilizar más de un método de regulación en serie. Por ejemplo, la salida de un regulador de conmutación puede ser más regulada por un regulador lineal. El regulador de conmutación acepta una amplia gama de voltajes de entrada y eficiente genera una (un poco ruidoso) ligeramente por encima de la tensión de salida en última instancia deseada. Eso es seguido por un regulador lineal que genera exactamente el voltaje deseado y elimina casi todo el ruido generado por el regulador de conmutación. Otros diseños puede n utilizar un regulador de SCR como "pre-regulador", seguido por otro tipo de regulador Una manera eficaz de crear una variable de tensión, precisa de suministro de potencia de salida es la combinación de un multi-transformador con toma con un puesto lineal ajustable regulador. 42 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana CAPITULO III OPERACIÓN DEL REGULADOR VOGAR Y PUESTA A TIERRA. 43 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.1 Regulador Vogar En la instalación de corriente regulada de la universidad veracruzana campus Coatzacoalcos, que se tomo como ejemplo en el trabajo presentado, se empleó un regulador de la marca vogar debido a sus grandes beneficios y a su enorme eficiencia. También hay que destacar su avanzada tecnología, seguridad, y la protección de alta confiabilidad que ofrece, además de desarrollados y fabricados por mexicanos y que son productos que son cumplen ampliamente con la Norma oficial Mexicana y otros sistemas de calidad internacionales. La marca vogar es muy reconocida por que desarrolla sus productos con una selección cuidadosa de sus materiales, bajo un estricto control de calidad, logrando a si obtener la seguridad que se requiere. Además cuentan con una amplia experiencia en la resolución de problemas originados por disturbios en redes eléctricas y a través de la investigación han desarrollado productos de alta confiabilidad, comprobada con el apoyo y servicio especializado en el momento que se requiera. 44 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.2 Recomendaciones para una operación segura y eficiente del regulador vogar. 1.- Para prevenir el riesgo de incendio, descarga eléctrica o corto circuito no exponga su acondicionador a lluvia o humedad. 2.- El regulador tiene voltajes activos, aun estando apagado. 3.- No se debe abrir sin tomar las precauciones necesarias y desconectarlo totalmente. 4.- Instalar la unidad de forma adecuada conforme al instructivo o manual de operación. 5.- Evitar lugares con alta temperatura o con falta de ventilación, la temperatura de operación que asegura un rendimiento satisfactorio es de 0 a 50°C. 6.- Pretéjalo de luz directa del sol y la intemperie. 7.- Protéjalo de polvos y productos químicos. 8.- Evitar lugares con vibraciones. 9.- Verificar que las conexiones estén solidamente apretadas evitando falsos contactos en la instalación. 10.- Dejar espacio suficiente y fácil acceso para su revisión y mantenimiento. 45 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.3 Normas de seguridad del regulador vogar 1.- Para garantizar la protección adecuada de los equipos que conecte a su acondicionador es muy importante apegarse alas normas establecidas. 2.- El sistema eléctrico debe ser estrella (Y), es decir que tenga un neutro real. 3.- Conectar a tierra física. 4.- Respetar la polaridad señalada de los conectores. 5.- La frecuencia debe ser 60Hz +/- 2% (es importante verificar las plantas de emergencia). 6.- El voltaje entre neutro y tierra no debe exceder del 1% entre fases es decir 2,2 volts. 7.- La alimentación debe ser proporcionada desde un interruptor de acuerdo ala capacidad del acondicionador. 8.- Los cables tanto de alimentación como de salida deben calcularse para una caída de tensión no mayor de 2%, considerando el funcionamiento a plena carga. 9.- Es importante que no existan falsos contactos entre los amarres y o conexiones en general. 46 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 10.- El neutro y la tierra física deben estar separados 11.- Hacer tareas periódicas de mantenimiento y revisión de la red eléctrica. La capacidad de este regulador se expresa en KVA y la determina la cantidad de equipos o carga eléctrica que pretende conectar ala salida del acondicionador. De esto depende su óptimo rendimiento y funcionalidad para brindar la protección que sus equipos necesitan. Es muy importante y sencillo determinar los datos básicos en la placa de datos (del equipo que desea conectar al acondicionador) que se encuentra normalmente en la parte posterior. Los datos a considerar son: Voltaje normalmente viene en 120/127 VCA Volts corriente alterna ( ) para la republica mexicana aunque este generalizado siempre se debe verificar. Se puede expresar en (A) Ampere (VA) Volt-Ampere (KVA) KiloVolt-Ampere (W) Volt-Ampere por factor de potencia. 47 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.4 criterios establecidos por ANCE. Para definir la familia de productos correspondiente a una familia de productos correspondiente a una familia de balastros conforme a lo establecido en la norma mexicana NMX-J-512-ANCE-1998 Productos eléctricos reguladores automáticos de tensión, especificaciones y métodos de prueba se debe cumplir con las siguientes condiciones: Los reguladores se agrupan en familias de acuerdo al tipo de tecnología que se emplea… a saber. Reguladores automáticos de tensión electromecánicos. Reguladores automáticos de tensión electromagnéticos. Reguladores automáticos de tensión electrónicos. Reguladores automáticos de tensión ferrosonantes. Y estos se dividen en: Numero de fases Mayores de 25000 capacidad en VA Hasta 5000 1 Mayores de 5000 y hasta 10000 Mayores de 10000 y hasta 15000 Hasta 5000 2 Mayores de 5000 y hasta 10000 Mayores de 10000 y hasta 25000 Mayores de 25000 y hasta 50000 Hasta 5000 3 Mayores de 5000 y hasta 10000 Mayores de 10000 y hasta 25000 48 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Dos o mas productos pertenecen a la misma familia, siempre y cuando su tecnología especificaciones e instalación y semejanza en sus componentes eléctricos tengan características de funcionamiento similares sin importar la apariencia física, color o accesorios que no sean determinantes en el funcionamiento del equipo no se consideran de la misma familia los productos que e no cumplen con uno o mas de los criterios aplicables ala definición de familias antes expuesta. De las familias hasta 10000 VA se debe probar solo un modelo el de máxima capacidad y menor tensión de operación sin importar su configuración 8conexion estrella, conexión delta, etc.) Esto para reguladores trifásicos. En el caso de las familias mayores de 10000 VA se prueba el modelo de mayor capacidad que se tiene en existencia En el caso de los criterios establecidos en este procedimiento sean insuficientes para definir la pertenencia de algún producto a una familia favor de dirigirse al área de certificación ANCE donde se analizara y definirá la pertenencia de este tipo de productos. 49 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.5 Objetivo y elementos de un regulador de voltaje vogar El objetivo principal de los acondicionadores automáticos de tensión vogar, es proteger los delicados componentes de los circuitos que se encuentran en todos los aparatos electrónicos, tales como microprocesadores, Circuitos Integrados, memorias digitales etc. El acondicionador mide el voltaje de alimentación con una velocidad que le permite analizarlo cada 0,5 ciclos de onda senoidal (8,33 ms), solo en caso de que el voltaje este fuera del rango optimo considerado entrara en regulación incrementando o reduciendo el voltaje necesario de manera que siempre proporcione el +/- 3% de la tensión nominal a la salida. Gracias a este sistema podemos controlar que el voltaje de salida siempre este en rango seguros. Es importante señalar que existe una tolerancia de 1,5 volts que nos permite estabilizar el voltaje cuando la alimentación se encuentra en los límites de regulación. El equipo vogar cuenta con componentes diversos en su interior (varistores y fusibles) que son susceptibles a dañarse por causa de una sobrecarga o voltajes anormales, estos elementos tienen como finalidad proteger a los equipos conectados al acondicionador y pueden ser reemplazados por otros de las mismas características. 50 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.5.1 Elementos del acondicionador de voltaje Supresor de picos de voltaje.- Para eliminar o minimizar el poder destructivo de los picos de voltaje que contaminan las redes eléctricas ante diferentes circunstancias el acondicionador de voltaje cuanta con un supresor de picos de voltaje y /o filtro ICV, el cual funciona en base a la inductancia, capacitancia y un banco de varistores, por esto al sistema se le conoce como filtro INDUCTIVO-CAPACITIVO-VARISTIVO (ICV). Este sistema tiene la capacidad de reducir picos de voltaje de 4000V a 100V con una energía de 10 joules a pesar de que este tipo de transitorios de voltaje se presenten con una frecuencia de 10 veces por segundo. Fusibles.Estos elementos tienen por objeto proteger a su acondicionador de una sobrecarga y o corto circuito localizados en el modulo de regulación. Térmicos bimetalicos.Estos elementos tienen como función proteger al acondicionador de una sobrecarga o corto circuito que se presentan en la línea de alimentación, estos elementos se encuentran en el interior de los transformadores de regulación. En caso de sobrecarga el térmico elevara su temperatura abriendo el circuito y apagando el acondicionador, protegiendo a si todos los equipos conectados solo hasta que se enfrié lo suficiente permitirá que el término cierre el circuito y reconoce automáticamente al acondicionador. 51 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.6 Características del regulador Acondicionadores automáticos de tensión trifásicos de 3 a 15 KVA. Modelo Capacidad Amperaje Calibre Peso aprox. KVA x fase **AWG Kg. Lb. LAN-33 3 8 14 32 70 LAN-36 6 16 12 38 84 LAN-310 10 28 10 44 97 LAN-315 15 40 8 52 114 **CALIBRE MINIMO RECOENDADO PARA LA INSTALACION ELECTRICA Nunca se debe exceder la capacidad indicada para garantizar el óptimo desempeño de su acondicionador vogar. Instalación Numero de Numero de Forma de fases hilos conexión 3 5 (3F+N+TF) Tablilla 52 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.7 Diagrama de regulación. 120V Voltaje central: 120 VCA monofásico. Voltaje nomina de entrada: 120 VCA +/-15% Voltaje nominal salida 120 VCA +/- 3% 127V Voltaje central: 127 VCA monofásico. Voltaje nomina de entrada: 127 VCA +/-15% Voltaje nominal salida 127 VCA +/- 3% 53 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Los diagramas muestran el comportamiento de cada fase del acondicionador de acuerdo al voltaje que los alimenta, indicando la ventana de salida correspondiente al +/3%. Al regular cada fase con respecto al neutro también queda regulada la salida entre fases, el diagrama (1) a 208 VCA en el diagrama (2) a 220 VCA, respectivamente. 54 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.8 Conexión del regulador de voltaje vogar Recomendamos que la conexión de su acondicionador la realice un electricista o personal que tenga conocimientos básicos de electricidad. En la parte superior del acondicionador se encuentra una tablilla de conexiones, a la cual se accede retirando su tapa frontal. Para abrir el gabinete se debe retirar el tornillo (1) de la parte frontal y los tornillos (2) de la parte posterior que sujetan la tapa frontal. Una vez retirados se precede a deslizar hacia enfrente y hacia arriba encontrando así la tablilla de conexiones donde se localizan e identifican las fases de entrada, fases de salida neutro y tierra física. Una vez identificados los cables de la instalación eléctrica basta con conectarlos ala tablilla de conexión Es muy importante que los cables se conecten en el orden indicado y esta operación se haga con la precaución necesaria. Es importante que los cables provengan de un interruptor termomagnetico del tablero de alimentación y que este sea de acuerdo ala capacidad del acondicionador y antes de conectarse deberán ser identificados correctamente. Por ningún motivo abra este equipo estando en operación corre el riesgo de sufrir una descarga eléctrica ya que en el interior hay voltaje peligroso sin aislamiento. 55 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.8.1 Configuración de una instalación eléctrica básica. 56 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.9 Puesta en marcha y encendido del regulador vogar Después de que todos los cables estén conectados en la tablilla de conexiones deberá proceder a lo siguiente: UNO. Cuando el COMPENSADOR DE VOLTAJE sea destinado a alimentar un Centro de Cargas, debemos verificar que todos los interruptores de éste se encuentren en posición de apagado. DOS. En caso de que el COMPENSADOR DE VOLTAJE sea destinado a alimentar alguna línea de contactos directamente, entonces se debe verificar que se encuentre(n) apagado(s) el (los) equipo(s) a proteger. TRES. Se deberá verificar que el voltaje de alimentación esté dentro del rango del +/- 15% de acuerdo al voltaje nominal deseado (120 ó 127 VCA) en cada fase con relación al neutro. CUATRO. Verificar que el selector de BY-PASS se encuentra en la posición OFF. CINCO. Accionar el interruptor que controla al Timer del COMPENSADOR DE VOLTAJE a la posición de encendido, esperar 5 minutos para que el equipo funcione. SEIS. Verificar que el voltaje de salida se encuentre dentro del rango de regulación entre cada una de las fases con respecto al neutro. 57 Ingeniería Mecánica Eléctrica SIETE. Universidad Veracruzana Ahora puede encender el (los) interruptor(es) del centro de cargas y los equipos conectados con la seguridad de tener una mejor calidad en su red eléctrica. OCHO. El COMPENSADOR DE VOLTAJE se puede configurar de dos formas para elegir el modo de encendido en caso de apagado autom2. Panel de control. 1.- EN LINEA. Los Led´s se encienden cuando existan condiciones norma en la alimentación y el Acondicionador esté funcionando. 2.- FUSIBLES DE REGULACIÓN. Los Led´s se encenderán si algún Fusible Interno se daña, reemplácelo. 3.- ACONDICIONADOR FUNCIONANDO. El Led indica cuando el Acondicionador está en operación. 4.- ENCENDIDO INSTANTÁNEO. Para encender el equipo inmediatamente en caso de estar programado el encendido a 5 minutos o 5 segundos. 5ENCENDIDO Y APAGADO. El encendido está programado con un retardo de 5 segundos. 58 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.10 Mantenimiento y recomendaciones del regulador vogar MANTENIMIENTO: Si alguno de los dos Led´s de Regulación que se encuentran en el Panel de Control se enciende, es necesario dar mantenimiento al COMPENSADOR DE VOLTAJE. En la mayor parte de los casos esto se soluciona cambiando el Fusible de Regulación. Los COMPENSADORES DE VOLTAJE VOGAR han sido diseñados para proteger aparatos delicados y costosos por lo que la instalación eléctrica debe estar en las mejores condiciones posibles, con un mantenimiento y revisiones periódicas. RECOMENDACIONES: Verificar continuamente que el Compensador de Voltaje esté libre de polvo, agua y/o productos que puedan provocar mal funcionamiento. Verificar que las conexiones estén sólidamente apretadas evitando falsos contactos. Verificar que no existan signos de calentamiento ó rastros de humo en ninguna parte del Compensador de Voltaje. Verificar que las soldaduras se encuentren en perfecto estado, libres de agrietamientos ó desprendimientos de material soldante. Verificar que los componentes electrónicos de los circuitos impresos del Compensador de Voltaje no presenten huellas de calentamientos. (De ser necesario utilizar lupa y lámpara). Verificar que los Varistores no presenten signos de sobrecalentamiento, en caso necesario sustituir por otros de las mismas características. 59 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana NOTA: El varistor debe ser un 30% superior al voltaje nominal entre fase y neutro. Ejemplo: Para 120 VCA nominal el Varistor debe ser de 150 LA 20A, donde 150 corresponde a Volts y 20 corresponde a Joules. Verificar el Fusible de Protección al Transformador. 60 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.11 Cuadros de posibles soluciones a fallas. 61 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.12 Sistemas de puesta a tierra Un sistema de puesta a tierra consiste en la conexión de equipos eléctricos y electrónicos a tierra, para evitar que se dañen nuestros equipos en caso de una corriente transitoria peligrosa. El objetivo de un sistema de puesta a tierra es: El de brindar seguridad a las personas. Proteger las instalaciones, equipos y bienes en general, al facilitar y garantizar la correcta operación de los dispositivos de protección. Establecer la permanencia, de un potencial de referencia, al estabilizar la tensión eléctrica a tierra, bajo condiciones normales de operación. La importancia de realizar una conexión a tierra en un edificio inteligente es mucha, ya que en estos edificios hay una gran cantidad de equipos electrónicos y una corriente indeseable o sobré tensión podría causar una pérdida muy costosa en estos equipos. Los fenómenos fisiológicos que produce la corriente eléctrica en el organismo humano dependen del valor de la intensidad de la corriente, tiempo de duración del contacto, callosidad, sexo, estado de epidermis, peso, altura, estado de animo, estado del punto de contacto a tierra. La resistividad del terreno se define como la resistencia que presenta 1 m3 de tierra, y resulta de un interés importante para determinar en donde se puede construir un sistema de puesta a tierra. En la resistividad del terreno influyen varios factores que pueden variarla, entre los más importantes se encuentran: 62 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Naturaleza del Terreno, Humedad, Temperatura, Salinidad, Estratigrafía, Compactación y las Variaciones estaciónales. Es la resistencia que nos ofrece el terreno hacia la corriente en un sistema de puesta a tierra, esta resistencia depende de la resistividad del terreno y área de los conductores Para realizar un sistema de puesta a tierra se necesitan electrodos de tierra, los cuales existen de muchos tipos, algunos mejores que otros en ciertas características como el costo, entre otras. Los electrodos pueden ser artificiales o naturales. Se entiende por electrodos artificiales los establecidos con el exclusivo objeto de obtener la puesta a tierra, y por electrodos naturales las masas metálicas que puedan existir enterradas. A continuación se presentan los conceptos más comunes, de acuerdo a la NOM−001− SEDE−2005 artículo 250: CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA Es aquel conductor de un circuito que se conecta a tierra intencionalmente. Este conductor garantiza la conexión física entre las partes metálicas expuestas a alguna falla y la tierra. Por medio de este conductor circula la corriente no deseada hacia la tierra. ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA Es un cuerpo metálico conductor desnudo que va enterrado y su función es establecer el contacto con la tierra Física. 63 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana PUENTE DE UNION Este puente es un conductor que nos sirve para proporcionar la conductividad eléctrica entre partes de metal que requieren ser conectadas eléctricamente. RED DE TIERRA Es la porción metálica subterránea de un sistema aterrizado que dispara hacia la tierra todo flujo de corriente no deseado. Esta red se puede componer de varias mallas interconectadas. RESISTENCIA DE TIERRA Es la resistencia que nos ofrece el terreno hacia la corriente en un sistema de puesta a tierra, esta resistencia depende de la resistividad del terreno y área de los conductores RESISTIVIDAD DEL TERRENO Es la propiedad del terreno que se opone al paso de la corriente eléctrica, la resistividad varia de acuerdo a las características del terreno. SUPRESOR DE PICOS No son más que elementos de protección contra sobretensiones transitorias. TIERRA AISLADA Es un conductor de tierra con aislamiento que se conecta a algún equipo, este conductor se coloca en la misma Soportaría donde se encuentran los cables de energía. 64 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.13 Puesta a Tierra de Equipos Electrónicos Los equipos electrónicos no trabajan satisfactoriamente cuando se presentan transitorios o interferencias. Transitorios.- La causa mayor de fallas de los componentes electrónicos de los puertos de interconexión de datos, y los de control en bajo voltaje, es el sobreesfuerzo eléctrico que usualmente se origina en los transitorios causados por: (1) las descargas atmosféricas; (2) por las maniobras de interrupción de cargas inductivas, o; (3) por descargas electrostáticas. Este sobre-esfuerzo es causado por voltajes de una magnitud de decenas de volts a varios miles de volts y, con duración de unas decenas de nanosegundos a unas centenas de microsegundos. Los que se conocen normalmente como "picos" de voltaje". Ningún cable enterrado, ni siquiera de potencia, es inmune a los transitorios provocados por los rayos. Los transitorios se eliminan mediante componentes conectados a la tierra del sistema. 65 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.14 Esquemas y Disposiciones de Conexión a Tierra Existen cuatro esquemas de aterrizado de equipos electrónicos. Estos son: a) El convencional. b) El esquema de tierra aislada. c) Esquema de tierra aislada total. d) Esquema de malla de referencia. 3.14.1 ESQUEMA CONVENCIONAL. El esquema convencional utiliza únicamente las recomendaciones de puesta a tierra de la NOM [1.3]{250-} pero no incluye el uso de los contactos de tierra aislada de la sección {250-74 Excepción 4}. 66 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 67 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Este esquema (figura 2) encuentra su uso en las instalaciones de PCs donde únicamente existe alumbrado y algún otro equipo eléctrico, tal como en los pequeños comercios o en las viviendas. Pero, no es recomendado para las instalaciones comerciales, educativas o industriales, porque: a) Puede resultar excesivamente ruidoso el sistema de tierras. b) Los transitorios pueden sobrepasar el nivel de aislamiento. c) No es compatible con las recomendaciones de puesta a tierra de la mayoría de los fabricantes de equipos electrónicos. d) El alambrado puede resultar obsoleto cuando se cambien las tarjetas y equipos por otros de una tecnología de mayor velocidad. 68 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.14.2 Esquema de tierra aislada Este esquema (figura3) es el más socorrido en la industria, y por la mayoría de los proveedores de equipos electrónicos, porque reduce el ruido de modo común, y está descrito en la NOM [1.3]{250-74 Excepción 4}. En él, la puesta a tierra del equipo es separada de la puesta a tierra de las canalizaciones, así cualquier corriente espúrea no afecta a los equipos así conectados. El ruido de modo común es toda señal no deseada que aparece en todos los conductores de señal al mismo tiempo con respecto a la tierra. 69 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 70 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana El tipo de receptáculo (contacto) para este esquema es diferente, y, tiene un triángulo de color naranja pintado en la placa para diferenciarlo de los receptáculos normales. La frase "tierra aislada" ha sido interpretada equivocadamente como de una tierra separada, provocando en caso de falla precisamente un voltaje a tierra inseguro para las personas y para los equipos. 71 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 72 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 73 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana En esta configuración (figura 9) se tiene una conexión a tierra relativamente libre de ruido e interferencia para la referencia lógica de los aparatos y, es complementada con la tierra de seguridad convencional del sistema de tierras de potencia. Pero, tiene las siguientes limitaciones: a) En altas frecuencias, la impedancia del conductor de tierra puede ser demasiado alta para servir de buena conexión. b) El acoplamiento no intencional de los dos sistemas de tierras (aislado y de puesta a tierra de las canalizaciones) dentro de los aparatos o en sus conexiones a cables blindados, puede causar lazos de corriente, resultando en ruidos electrónicos que inutilizan el sistema aislado. Un ejemplo de ese caso, es cuando la impresora está conectada al sistema de tierra normal, y la computadora al sistema de tierra aislado. 74 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.14.3 Esquema de tierra aislada total Este esquema consiste en conectar todas las computadoras, los aparatos e instrumentos a tierra usando una configuración de estrella a partir de un solo punto físico, el cual es un cabezal o placa de conexión -Existen fabricantes de ellas-, el o la cual a su vez está conectada mediante un conductor apropiado a la red general de tierras, de acuerdo con la norma NOM-001-SEDE-2005 [1.3]. Esta configuración es utilizada en los transmisores de comunicaciones (radiodifusión, sitios celulares, etc.), donde es posible tener un mismo punto de puesta a tierra para todos los equipos y para todas las pantallas de los cables. 75 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Sin embargo, también tiene sus limitaciones: a) Esta configuración puede ser difícil de crear en un ambiente industrial. b) Todos los equipos cercanos deben conectarse de esta manera a tierra o, se pueden tener lazos de corrientes. c) Puede tener una impedancia en alta frecuencia muy alta, que en términos prácticos, la puesta a tierra sea ineficaz. Este problema es posible que no se tenga en la mayoría de equipos industriales, porque no emplean muy altas frecuencias 76 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.14.4 Esquema de malla de referencia. La figura muestra esta configuración para una sala o centro de cómputo, con piso falso de tipo celular. Observar que adicionalmente a la estrella mencionada en el punto anterior, los equipos y partes metálicas estructurales se conectan a este tipo de piso mediante trencillas, y que al ofrecer un plano de referencia de tierra, baja la impedancia a tierra en todas las frecuencias. En el mercado se conoce dicha malla como Signal Reference Grid (SRG) y la comercializa la compañía Erico entre otras. Sus limitantes son: a) Muchos fabricantes de equipos electrónicos industriales no están de acuerdo con su empleo. b) En ambientes industriales, es difícil su implementación. 77 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.15 Valores de puesta a tierra adecuados conforme ala nom001 sede 2005 y STPS nom022. De acuerdo con la NOM 001 {250-83c} los electrodos de varilla y tubo, no deben tener menos de 2,40 m de largo y deben instalarse de tal modo que por lo menos 2,40 m de su longitud esté en contacto con la tierra. Las varillas de metales no ferrosos deben estar aprobadas y tener un diámetro no inferior a 13 mm de diámetro, y las demás de por lo menos 16 mm. Las tuberías deben tener un diámetro no inferior a 19 mm, y si son de hiero, deben tener una protección contra corrosión en su superficie. Las varillas de acero con un recubrimiento de cobre de 10 milésimas dura un promedio de 35 años en un suelo promedio; si tiene un recubrimiento de 13 milésimas dura hasta 45 años. En cambio, una varilla de acero galvanizado tiene una vida estimada de 15 años. Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusión hasta que alcanzan la profundidad adecuada. En caso de terrenos rocosos o de tepetate, las varillas no pueden meterse de esa manera; se doblan o solamente no pueden entrar. Ocasionalmente se ha sabido de casos donde las varillas han sido regresadas hacia la superficie después de haber tratado de clavarlas en terrenos rocosos. 78 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.15.1 SECRETARIA DEL TRABAJO Y PREVISION SOCIAL NORMA Oficial Mexicana NOM-022-STPS-2008, Electricidad estática en los centros de trabajo-Condiciones de Seguridad aplicable a este tema. Método de caída de tensión para la medición de la resistencia de la red de puesta a tierra Instrumentos. a) Medidor de resistencia a tierra para medir la resistencia de la red de puesta a tierra, con una frecuencia entre 90 y 200 Hertz, y b) Ohmetro, multímetro o medidor de resistencia a tierra, para medir la continuidad de las conexiones a tierra. Procedimiento para evaluar la resistencia de la red de puesta a tierra. a) Ajustar a cero la aguja del instrumento de medición analógico o verificar que la fuente de poder del equipo digital tenga suficiente energía para realizar el conjunto de mediciones, y comprobar la ausencia de tensión eléctrica en el sistema antes de efectuar la medición. En cualquier caso, constatar que el equipo de medición tenga el registro vigente de calibración; b) La aplicación de este método, consiste en hacer circular una corriente entre dos electrodos: uno llamado c1 (que corresponde a la red de puesta a tierra) y un segundo electrodo auxiliar c2, mismo que se introduce al terreno a una distancia mínima de 20 metros. Para realizar la primera medición se introduce 79 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana En el terreno un tercer electrodo auxiliar denominado p1, a un metro de distancia entre el electrodo bajo prueba c1 y el electrodo auxiliar c2. El segundo punto de medición se debe realizar desplazando el electrodo auxiliar p1 de manera radial a 3 metros de la primera medición y en dirección al electrodo auxiliar c2, los siguientes puntos de medición se desplazarán cada 3 metros hasta complementar 19 metros; c) Con los valores registrados se debe elaborar una gráfica similar a la que se ilustra en la parte inferior de la figura 1; d) El valor de la resistencia de la red de puesta a tierra, es el que se obtiene en la intersección del eje de resistencia con la parte paralela de la gráfica al eje de las distancias; e) Si la curva no presenta un tramo paralelo, quiere decir que la distancia entre los electrodos c1 y c2 no es suficiente, por lo que el electrodo c2 debe alejarse de la red de puesta a tierra, y f) Los valores de la resistencia de la red de puesta a tierra que se obtengan en esta prueba, deben estar comprendidos entre 0 y 25 ohms para el sistema de pararrayos, y tener un valor no mayor a 10 ohms para la resistencia de la red de puesta a tierra, con objeto de drenar a tierra las corrientes generadas por las cargas eléctricas estáticas. 80 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 81 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 3.16 Consideraciones finales.No importa cual de los tres últimos métodos se emplee para la puesta a tierra de los equipos electrónicos, la trayectoria de los cables es crucial. Siempre conecte a tierra cada aparato por separado. Los equipos en racks deben conectarse a tierra mediante cables, no obstante se supondría que los perfiles del rack los pondrían a tierra, lo que no siempre es real porque existen problemas de pintura y de montaje. Este cable es mejor que sea forrado y de color verde para que no cortocircuiten otros cables. El aterrizado de blindajes y el de cables de señal también deben ser parte integral del diseño de sistemas de tierras. 82 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana CAPITULO IV INSTALACIÓN DE CORRIENTE REGULADA DE LOS LABORATORIOS DE INVESTIGACIÓN Y DE FÍSICA DE LA UNIVERSIDAD VERACRUZANA CAMPUS COATZACOALCOS 83 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 4.1 Localización y orientación de los laboratorios de investigación y de física pesada. 84 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 4.1.1 Plano de distribución eléctrica de los laboratorios de física y de energía. 85 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 4.2. Cuadro de cargas reguladas del laboratorio de física e investigación 86 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 4.3 Diagrama Unifilar general 87 Ingeniería Mecánica Eléctrica 4.4 Universidad Veracruzana Calculo para la selección de regulador adecuado Para la elección del regulador adecuado necesitamos tener como datos la carga total a regular, esto lo obtuvimos con anterioridad, se sabe que la instalación ya esta hecha y la carga total que calculamos fue de 9760 watts se puede confirmar en el cuadro de carga del tema entonces tenemos que buscar un regulador que pueda soportar esta carga y debemos escoger el mas cercano al valor calculado, el inmediato superior, no se debe elegir uno menor por que no podría soportar la carga a regular y con ello la falla del regulador seria inminente, por ello es muy importante hacerlos cálculos de manera eficiente, por que de un buen calculo depende el correcto funcionamiento con que trabajara el regulador mostraremos los modelos mas usuales del regulador vogar que es el que esta empleado en los laboratorios y con los modelos la capacidad que tienen en KVA. GABINETE Altura: 99 cm Ancho: 42 cm Prof.: 74 cm 88 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana capacidad LAN 33 3 kVA LAN 36 6 kVA LAN 310 10 kVA LAN 315 15 kVA Con la siguiente tabla podemos elegir el regulador adecuado a utilizar en este caso recordaremos que la carga total al regulador es de 9760 entonces tenemos que elegir el inmediato superior en este caso es el de 10 KVA con marca LAN310 y así se demuestra que el regulador que trabaja para regular la tensión en los laboratorios de física y de investigaron es correctamente adecuado. 89 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 4.4.1 Selección de regulador adecuado La capacidad de los reguladores se mide en KVA. Para seleccionar el equipo que Usted necesita será necesario conocer tres puntos importantes: Voltaje de entrada o alimentación del equipo a proteger Puede ser localizado en la placa de datos o manual de instalación del equipo o maquinaria a proteger. La tensión de la red eléctrica variara de un país a otro así como el voltaje de alimentación de sus equipos dependiendo de su origen. Consumo de los equipos/instalación a proteger Datos localizados en la placa de datos o manual de instalación del equipo o maquinaria, puede estar expresado en: - Watts para equipos monofásicos y Kilowatts en sistemas trifásicos, - Amperes ó - HP Para equipos que ya están instalados, el consumo de corriente se puede medir físicamente con un amperímetro de gancho. Este dato será indispensable para conocer la capacidad del regulador en KVA 90 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Numero de fases de alimentación del equipo/instalación Se determina a través de la placa de datos o manual de instalación del equipo o maquinaria a proteger. Los sistemas eléctricos convencionales pueden ser: - Monofásicos - Bifásicos con neutro - Bifásicos sin neutro (para equipos monofásicos de 220 V) - Trifásicos Para los sistemas trifásicos con neutro existen dos alternativas de uso: a) Cuando el suministro eléctrico tiene fases desbalanceadas con diferencias mayores a 7 volts entre fases, la solución es corregir la línea con un banco de reguladores monofásicos o un equipo con regulación individual por fase. b) Para sistemas trifásicos estables, cuando la variación entre fases es menor a 7 volts, se selecciona un regulador trifásico estándar con núcleo de regulación único. 91 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 4.4.2 Herramientas útiles para la selección. Otra herramienta útil para la elección del regulador adecuado, son el uso de hojas de cálculos o programas realizados por las empresas que se dedican ala venta de los reguladores de voltaje aquí mostraremos un ejemplo de una hoja de calculo que nos facilita la elección de nuestro reguladores entregándonos los kVA al momento de introducir el dato de la carga en KW o en HP o los amperes, que demanda nuestra instalación o equipos a proteger. 92 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 4.5 Características de funcionalidad del regulador Vogar. Protección contra picos de voltaje. Cuentan con una protección contra picos de voltaje del orden de 4000 Volts. Los cuales pueden aparecen en la línea bajo condiciones de tormentas eléctricasa través de un Filtro ICV (inductivo, capacitivo y varistivo), el cual los reduce a un nivel menor a 100vp Desconexión automática por voltaje” peligroso" o fuera de rango seguro. De +/-20% en el voltaje de entrada con el fin de evitar que los equipos alimentados por el regulador se dañen al operar con un bajo o alto nivel "peligroso" de voltaje. Los equipos cuentan con un selector de reconexión automático o manual en caso de que el regulador se desconecte por un voltaje fuera de rango. Así mismo un timer de encendido 5 seg. O 5 min. Esto con el fin de que cuando este el voltaje muy variante el regulador espere a que este se normalice. •Bypass-automático. En caso de falla, el equipo puede seguir alimentando la carga (excepto en el caso de desconexión por alto o bajo voltaje) Protección contra sobrecarga y/o cortocircuito. Esta característica permite desconectar el regulador cuando haya una sobrecarga y/o cortocircuito del sistema a proteger. Los usuarios que no poseen protección contra problemas de energía, pueden experimentar costosas consecuencias. Los rayos eléctricos y sobretensiones transitorias que viajan por la línea de la energía eléctrica, pueden destruir componentes internos de los PCs; mientras que los apagones y caídas de voltaje pueden causar "caídas" inesperadas de los sistemas. 93 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 4.6 Especificaciones del Regulador Empleado Aislamiento Dieléctrico al Gabinete: 2000 Vrms, Mínimo Capacidad de Desbalanceo en Fases: 100% Protección contra Sobrecarga y/o Corto Circuito: Fusible y/o Térmico Bimetálico Filtro de Ruido Eléctrico: Frecuencia de corte a 4 kHz Ruido Audible: Menor a 10 dB a 1m de distancia Tipo de Transformador: Autotransformador Multiprimario VOGAR Timer (Temporizador de Arranque) Para retardo en la reconexión automática después de un apagón, con dos tiempos: 5 segundos estándar ó 5 minutos. Protección a los Transformadores de Regulación: Térmico Bimetálico Selector (para escoger modo de reconexión) Automático ó Manual. Gabinete Metálico: Lámina de Acero al Carbón Rolado en frío (Cold Rolled Steel) Acabado del Gabinete: Pintura Electrostática en Polvo color Beige Texturizado Semi-mate Tipo Híbrido. Humedad Ambiental: 0 - 90% sin condensación Forma de Conexión: Tablilla de conectores con indicación de Fases de Entrada, Fases de Salida, Neutro y 94 Tierra Física Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Corriente Eléctrica: CA Senoidal Grado Computadora Tensión Nominal: 120/127 VCA, RMS (F+N) 208/220 VCA, RMS (F+N) 254/440 VCA, RMS (F+N) 277/480 VCA, RMS (F+N) Sistema Eléctrico: Estrella (Y) Frecuencia: 58,8Hz-61,2Hz (60Hz +/- 2%) Tensión de Entrada: 208/220 +/- 15% de la Tensión Nominal Tensión de Salida: +/- 3% Típico +/- 4% Condiciones extremas Rango de Regulación: +/- 15% a la entrada +/- 3% a la salida Desconexión Automática Por Alto o Bajo Voltaje: +/- 20% del voltaje nominal Tiempo de Respuesta: 0.5 ciclos 2 ciclos en condiciones extremas Eficiencia: 99% Distorsión Armónica: Menor al 1% THD Supresor de Picos de Voltaje: 4000 V a 100 V, Filtro (ICV) Calor Generado: 2 BTU por kVA aprox. Factor de Potencia: 99% Capacidad de Sobrecarga: Para 10 segundos 200% Para 60 segundos 100% Temperatura de operación: 0° a 50° C (Centígrados) 32° a 122° F (Fahrenheit) Aislamiento Dieléctrico al Gabinete: 2000 Vrms, Mínimo 95 Ingeniería Mecánica Eléctrica 4.7 Universidad Veracruzana Calculo de calibre de los conductores de alimentación al regulador y cálculo de la tubería a utilizar. 4.7.1 Calculo por corriente. Formula del cálculo del calibre de los conductores por corriente para un sistema trifásico a cuatro hilos (formula consultada en el libro )……………...…………[A]. P= VIcosø√3 -------------- I= P/ (Vf*FP√3) I = Corriente P = Potencia, carga total instalada expresada en Watts. Vf= Voltaje entre fases. Fp= Factor de potencia. Fu= Factor de utilización = 98% (establecido por el manual del usuario del regulador.) Calculo del calibre del conductor para alimentar el regulador vogar. P= 9760 Watts (dato obtenido del cuadro de cargas del tema 4.2 ) FP = 90% (establecido por el manual de usuario del regulador) Aplicando la formula obtenemos I = 9760w / 1.73*(220v) * 0.9 I = 9760 /342.54 I = 28.5 96 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Ahora obtenemos la corriente corregida multiplicando la corriente obtenida por el factor de utilización en este caso es del 98%. Ic = I* Fu Ic = 28.5 * 0.98 = 27.93 En base al resultado obtenido buscamos en las tablas de capacidades promedio de Conducción que tienen los diferentes calibres y elegimos el inmediato superior al valor que obtuvimos al realizar los cálculos y obtenemos que según la tabla el calibre mínimo a utilizar sea de 10 AWG .que conduce en condiciones normales hasta 30 A. Actualmente se establece que de acuerdo a la capacidad mínima promedio de conducción de los conductores, sea la capacidad de los elementos fusibles (tabla 310-16 NOM001 SEDE 2005) 97 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Para la corriente obtenida el calibre mínimo requerido para alimentar al regulador es del No.10 este calibre coincide con el calibre sugerido por el manual del usuario del equipo regulador. Tomando en cuenta el factor de demanda o de utilización del 98% asignado El reglamento para el suministro de energía eléctrica, el consumidor está obligado a mantener un factor de potencia tan aproximado a 100% como sea práctico si el factor de potencia es menor a 85% se tendrá que pagar un recargo por cada k.V.A., extra que se le suministre para una demanda dada. Los valores recomendables del factor de potencia fluctúan entre 0.9 y 0.95 correspondientes a ángulos de desfasamiento entre 25 y 18 grados respectivamente. Por ello supusimos un valor de 0.9 para realizar este cálculo. Por el fabricante y especificado en los manuales de usuario del regulador. Por lo anterior cuando no se trate de alimentar una sola carga total instalada sea la suma de varias cargas parciales que se supone no van a ser utilizadas en forma simultánea, hay necesidad de corregir la corriente para que de acuerdo al nuevo valor se calculen los conductores eléctricos por corriente y por caída de tensión. 98 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 4.7.2 Por caída de tensión. Formula del cálculo del calibre de los conductores por voltaje o tensión para un sistema trifásico a cuatro hilos formula consultada en el libro………………….[A]. e%= 2 *√3*L*Ic / S*Vf e% = Porcentaje asignado por la compañía fabricante en este caso es del 2% Ic = Corriente corregida Vf = Voltaje entre fases. Fp = Factor de potencia. % (establecido por el manual del usuario del regulador.) S = sección transversal del conductor (tabla 310-16 de la NOM 001 SEDE 2005) L = longitud e% = (2 *1.73 * 5m * 27.93 ) / (5.26 * 220v) e% = 0.208 El valor esta dentro del 2% a sí que la sección del calibre utilizado en este caso fue calibre 10 con sección trasversal de 5.26 es correcto. Cabe señalar que entre más distancia haya mayor es la caída de tensión en estos casos es cuando se utiliza esta fórmula, para esta instalación la distancia entre la alimentación y el regulador es mínima se podría utilizar calibres más pequeños. Por norma y por los cálculos obtenidos por corriente y por caída de tensión se cumple con las condiciones y se acepta el calibre 10 como el requerido para la instalación. 99 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana 4.7.3 Calculo del diámetro de la tubería a utilizar Conductor calibre Área No. Área (mm^2) Cond. total Fases 10 16.62 3 49.86 Tierra f. 10 6.83 1 6.83 Neutro 10 16.62 1 16.62 total 73.31 mm^2 DIAMETROS AREAS INTERIORES EN MM^2 NOMINALES PARED PARED DELGADA GRUESA PULGADAS MM 40% 100% 40% 100% 1/2 13 78 196 96 240 3/4 19 142 356 158 392 1 25 220 551 250 624 En base a la tabla de la NOM001 SEDE 2005 La tubería de tubo conduit mínimo a utilizar es de ¾” 100 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Conclusiones Con la realización de este trabajo se cumplieron los objetivos propuestos, pues se logro la realización de un trabajo que servirá como ejemplo de cómo debe ser una instalación de corriente regulada, en este trabajo se detalla como hacer los cálculos pertinentes para la elección de los materiales adecuados para la instalación y cumpliendo con la norma oficial vigente de nuestro país En la actualidad la universidad veracruzana campus Coatzacoalcos ha ido creciendo debido a su gran demanda por los jóvenes de Coatzacoalcos que desean superarse y se inscriben para cursar una de sus diferentes carreras que ofrece, como consecuencia de este crecimiento hay un constante incremento en la renovación de equipos para el aprendizaje (computadoras cañones etc.), para las oficinas administrativas (computadoras impresoras copiadoras fax etc.) Por ello es muy importante proteger a los equipos eléctricos, electrónicos y a los propios alumnos de las variaciones de las tensiones, sobrecargas, sobrecorrientes eléctricas etc. Ya que esto beneficiara a la institución con un mayor ahorro energético y por consiguiente ahorro económico, que puede ser utilizado para adquirir equipos de vanguardia que sean de gran apoyo para enriquecer los conocimientos de los alumnos de dicha institución, 101 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Con el presente trabajo se alcanzaron los objetivos planteados y resaltamos que es muy importante crear en el alumno con ayuda de los catedráticos de la universidad veracruzana del área de ingeniería mecánica eléctrica en especifico el habito de proteger a los equipos eléctricos y electrónicos, mediante reguladores de tensión, en las instalaciones eléctricas que en sus vidas profesionales puedan desarrollar, con ello se les garantiza seguridad tanto para los equipos como para los operadores. Tomando en cuenta estas situaciones es conveniente señalar el aspecto económico como una parte muy importante de este trabajo ya que uno de los objetivos de hacer una buena instalación eléctrica de corriente regulada es el del ahorro energético, entendemos que una buena instalación regulada indica hacer los cálculos pertinentes para la elección de las mejores alternativas. Un ejemplo de ello seria un buen cálculo del calibre de los conductores si se hace de forma óptima, podemos ahorrar tanto energía como material siempre apegados a las normas establecidas por la nom001sede 2005. 102 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Recomendaciones Con el presente trabajo exponemos de una manera simple un ejemplo real de una instalación de corriente regulada de los laboratorios de física y de investigación de la universidad veracruzana campus Coatzacoalcos, mostrando los componentes principales de dicha instalación y haciendo constar que se llevo acabo de manera eficiente, esto lo comprobamos haciendo los cálculos pertinentes para la elección de calibres interruptores de protección y la puesta a tierra de la instalación, teniendo como recomendación al momento del calculo de los calibres para alimentar los receptáculos tomar en cuenta el valor del factor de utilización, esto es debido a que no siempre se utiliza toda la carga de al mismo tiempo de un circuito y a si podemos ahorrar material y con ello un ahorro económico, y aplicando el mismo caso para los interruptores y el propio regulador su adecuada elección es primordial para el buen funcionamiento de la instalación, teniendo en cuenta que estos lineamientos deben ser de acuerdo o apegados ala norma de vigencia en nuestro país(NOM 001 sede 2005). La elección del regulador adecuado nos beneficiara dando una protección óptima, a los equipos electrónicos. El trabajo expuesto queda para la consulta de los alumnos y primordialmente los alumnos de ingeniería, debido a su contenido tiende a ser un ejemplo de como debe estar realizada una instalación de corriente regulada en base al la instalación de los laboratorios de física y de investigación. 103 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Antes de usar un regulador de voltaje, verifique que la suma de los consumos individuales en watts de los equipos que le conectará no sobrepase la carga máxima recomendada por el fabricante. El regulador debe usarse preferentemente a un 75% de su capacidad máxima. Los reguladores de mayor capacidad (alrededor de 1200 watts) pueden aprovecharse mejor cuando se piensa conectar más aparatos electrónicos, por ejemplo dos computadoras (350 watts en total), una impresora de inyección de tinta (80 watts) y algún otro equipo. Algunos modelos de reguladores ofrecen, además, protección para línea telefónica (supresión de picos). Ésta es útil para evitar que el módem de su computadora (con el que se conecta a Internet) se dañe ante una eventual descarga de voltaje. Otros modelos ofrecen esa misma protección para el cable coaxial de televisión. Los reguladores de voltaje sólo deben usarse para proteger aparatos electrónicos que no poseen un motor, tales como televisores, mini componentes de audio, computadoras, impresoras de inyección de tinta, etc. Los reguladores no deben ser usados para proteger aparatos con motor (como refrigeradores o bombas) o electrodomésticos como planchas u hornos de microondas, porque el regulador se dañará. 104 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Antes de adquirir un regulador considere el número de contactos que necesita de acuerdo con el número de aparatos que requerirán ser protegidos. Antes de instalar o utilizar su regulador o compensador, lea el instructivo correspondiente, prestando atención a lo referente a su instalación y precauciones De uso. Tanto los reguladores como los compensadores de voltaje requieren de un lugar ventilado libre de polvo, humedad y contaminantes. Antes de hacer su compra considere un espacio suficiente para que el equipo tenga una buena ventilación. Si el regulador o compensador emplea fusibles intercambiables, cuando alguno requiera reemplazo seleccione uno de la misma capacidad. Revise el manual del usuario antes de realizar el cambio. No conecte otros reguladores o compensadores a la salida o entrada del mismo. 105 Ingeniería Mecánica Eléctrica Universidad Veracruzana Bibliografía El ABC de las instalaciones eléctricas Enríquez Harper, Gilberto. Predicción Editorial limusa México, DF 1985 Manual de equipos eléctricos Enríquez Harper Gilberto 1° Edición Editorial Limusa México, DF 2008 Instalaciones eléctricas prácticas…………………………………… [A] Becerril L. Diego Enésimo 12ª Edición México DF 2008 Paginas Web consultadas: · http://www.itlp.edu.mx/publica/tutoriales/instalacelectricas/42.htm · http://www.medicionycontrol.com/p−tierra.htm · http://www.lobos.com.mx/pg_lobos/ser_edu/puesta/inicio.htm Sistemas de puesta a tierra. 2001 · Norma oficial mexicana NOM−001−SEDE−1999 de instalaciones eléctricas (Art. 250) · Norma oficial mexicana NOM−008−SCFI−1993 106