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Electricidad - Electrónica

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José M. Vilar Perea

Sistemas Electrotécnicos de Potencia

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Electricidad - Electrónica

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José M. Vilar Perea

Sistemas Electrotécnicos de Potencia Electricidad - Electrónica © José Manuel Vilar Perea Registro de la Propiedad Intelectual: JA-132-12 Depósito Legal: J-1157-2012 ISBN-10: 84-940516-0-1 l.S.B.N-13: 978-84-940516-0-9 Primera edición: Septiembre de 2012 Edición, diseño y maquetación: M.C. Jiménez. Todos los derechos reservados. Pedidos a través de: www.aulaelectrica.es

Fomenta la creatividad. Este libro NO se puede fotocopiar ni distribuir por ningún medio sin autorización por escrito.

-

Página

Página

Desarrollo industrial .......................................... ........ -

7

6.4. Interruptor seccionador .............. . ...........

36 37

1 Introducción a los sistemas electrotécnicos de

6.5. Interruptor automático............................ 6.6. Fusible ...................................... .... ..........

potencia

6.7. Seccionador con fusible ............ .... ........

38

6.8. Interruptor con fusible ............. . ......... . ....

38

6.9. Relé diferencia¡ .......................... ............

38

1 Introducción ............................ .. ...... .. ........ .. ......... .....

8

2 Comparativa histórica ......... . ......... . ...........................

10

3 Aplicaciones de los sistemas electrotécnicos de

37

7 Instalaciones industriales de distribución ........ .........

39

8 Sistema de puesta a tierra .......................... ..............

43

potencia ........ .............................................. . ................

11

8.1. Objetivos del sistema de la puerta a

4 Características de la corriente alterna ...... . ...............

12

tierra ...... .. ........................... . ...... . ......... . .........

44

4.1. Concepto de corriente alterna................

12

8.2. Toma a tierra y cable de neutro....... ... . ...

44

9 Reglamentación y normativa .......................... .. ........

47

12

Actividades ................................................ . ....... . .........

47

13

3 Máquinas eléctricas

4.2. Naturaleza de la corriente alterna senoidal........ . ................................................ 4.3. Valores instantáneos y características de la corriente alterna senoidal..................... 4.4. Amplitud, valor eficaz y valor medio de una onda senoidal.........................................

14

1 Introducción ............... ........................... .. .............. . ...

48

5 Impedancia. Resistencia y Reactancia.....................

15

2 Electromagnetismo ..................................... .. ............

49

6 Comportamiento de los componentes pasivos ante

2.1. Campo magnético generado por un

una corriente alterna ................................................ ....

16

imán..............................................................

6.1. Circuito con resistencia ........... ...............

16

2.2. Campo magnético generado por un

6.2. Circuito con inductancia ... ... ....... .. ..........

17

conductor .............................................. ... ......

51

6.3. Circuito con condensador ......... .. .... . .......

17

2.3. Núcleo magnético..... ........................ . ....

51

2.4. Circuito magnético y circuito eléctrico

52

6.4. Circuito R-L-C, resistencia, bobina condensador.................................................

18

7 Potencia en corriente alterna ....................... .. ..........

53

20

3 Materiales magnéticos.............................................. 3.1. Materiales diamagnéticos .......... ... ....... ..

8 Sistema trifásico de corriente alterna......................

21

3.2. Materiales paramagnéticos....................

54

8.1. Sistema de conexión .................... . ........

22

3.3. Materiales ferromagnéticos ............. .. .....

54

8.2. Potencia trifásica...................................

23

3.4 Imanes naturales y artificiales................

54

Actividades..................................................................

25

2 Sistemas eléctricos de potencia

53

4 Principio de las máquinas eléctricas. Inducción electromagnética.........................................................

55

5 Máquinas eléctricas estáticas. Transformadores

55

5.1. Constitución...........................................

56

1 Sistema eléctrico .............................................. ........

26

5.2. Funcionamiento y características ..........

56

2 Características del sistema eléctrico ........ .... ..... . ......

26

5.3. Transformador Ideal...............................

57

5.4. Funcionamiento del transformador real

57

2.1. Tipos de redes eléctricas en función de suuso ............................ .......... . .....................

28

5.5. Ensayo en vacío ........................ ... .........

58

3 Generación de energía eléctrica ... . ....... . ..................

28

5.6. Ensayo en cortocircuito .................. ... .....

59

4 Transporte de energía eléctrica ............................ .. ..

29

5.7 Tipos de transformadores ...... .. ..............

61

5 Distribución de energía eléctrica..............................

30

6 Transformadores trifásicos ... . ................. ... ............ ...

62

5.1. Redes primarias de distribución.............

31

6.1. Constitución ............................ ...............

62

5.2. Redes secundarias de distribución

32

6.2. Funcionamiento ............ ... ............ . ..........

62

6.3. Designación de terminales ....... .. ............

64

6 Dispositivos de maniobra y protección en sistemas eléctricos de potencia..................................................

35

6.4. Conexiones del transformador

6.1. Tipos de maniobra y protección.............

35

trifásico ............... .. .............. .... .......................

6.2. Seccionador ........................... ... . ............

36

6.5. índice horario de los

6.3. Interruptor ................ . ..............................

36

transformadores trifásicos .................... ......... Actividades.............. ... ........................... .. ... ... ..............

fl

49

64

66 67

Página

Página

4 Máquinas eléctricas rotativas

1 Introducción.............................................................. 2 Constitución de las máquinas eléctricas rotativas....

68 68

Actividades......................................................

2.1. Sistema mecánico.................................. 2.2. Sistema eléctrico....................................

68 71

5 Electrónica de potencia

2.3. Sistema magnético.................................

73

3 Pérdidas y rendimiento.............................................

74 74

3.1. Pérdidas................................................. 3.2. Rendimiento........................................... 4 Tipos de servicio y características ............ ................ 4.1. Potencia asignada y potencia nominal.. 4.2. Tipo de aislamiento térmico................... 4.3. Tipo de protección.................................. 4.4. Tipos de servicio.................................... 5 Máquinas de corriente continua............................... 5.1. Constitución........................................... 5.2. Funcionamiento como motor.................. 5.3. Funcionamiento como dinamo............... 5.4. Configuraciones básicas........................ 5.5. Conexión independiente........................ 5.6. Conexión serie...................................... 5.7. Conexión en paralelo. Shunt................. 5.8. Conexión compound............................. 6 Máquinas de corriente continua sin escobillas. Brushless.......................... . ........ ..................................

74 75 75 75 76 78

10.6. Motor asíncrono monofásico...

1 Introducción.............................................................. 2 Componentes electrónicos de potencia................... 2.1. Funcionamiento ideal............................. 2.2. Funcionamiento real............................... 2.3. Conmutación.......................................... 2.4. Tipos de semiconductores de potencia.. 3 El diodo.....................................................................

78

3.1. Constitución y funcionamiento............... 3.2. Características de tensión y corriente....

79 79

3.3. Características de conmutación............. 4 El tiristor ............................. . ............................ . ....... ..

80 81

4.1. Constitución y funcionamiento............... 4.2. Características de tensión y corriente.... 4.3. Características de conmutación............

81 82 82 83

4.4. Ángulo de disparo y conducción............ 4.5. Tipos de tiristores ........................ . ....... ... 5 Tiristor bloqueable por puerta GTO ....... .... ............... 6 Tiristor de triodo bidireccional TRIAC ................. ......

104 107

108 108 108 109 109 110 110 110 111 111 112 112 113 114 115 116 117 118 119

84

7 Dispositivos de disparo para tiristores y triacs.........

6.1. Motores paso a paso.............................. 6.2. Características de los motores paso

84

8 Gobierno de tiristores y triacs .................. . ... .. ..... ...... 8.1. Circuito básico de disparo del tiristor

120

apaso...........................................................

86 86 87

enC.0...........................................................

121

6.3. Funcionamiento del motor paso a paso. 6.4. Control de motores paso a paso............ 6.5. Servomotores......................................... 6.6. Servomotor industrial............................. 6.7. Servomotor para robótica......................

89 91 92

7 Motor universal......................................................... 7.1. Constitución y funcionamiento............... 8 Máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna...

94 94

9 Máquinas eléctricas síncronas ....... .. ......... .............. 9.1. Características....................................... 9.2. Constitución........................................... 9.3. Funcionamiento como generador.......... 9.4. Funcionamiento como motor.................. 10 Máquinas eléctricas asíncronas.............................

96 96 96 97 98

95

99

10.1. Funcionamiento del motor asíncrono trifásico o motor de inducción....................... 10.2. Motor asíncrono trifásico con rotor bobinado....................................................... 10.3. Motor asíncrono trifásico con rotor cortocircuitado............................................... 10.4. Motor asíncrono trifásico de dos velocidades................................................... 10.5. Arranque de un motor trifásico en una red monofásica ................ .....................

99 100 101 101 103

8.2. Circuito básico de disparo del tiristor enC.A........................................................... 8.3. UJT como oscilador de relajación.......... 8.4. Circuito de disparo del tiristor

121 123

mediante UJT................................................ 8.5. Circuito de disparo del tiristor

125

mediante DIAC.............................................. 8.6. Circuito de disparo del TRIAC

126

mediante DIAC .................... ... ....................... 9 Transistor bipolar de potencia BJT .... ....................... 9.1. Constitución del transistor bipolar..........

126 127 127 128 129 129

9.2. Polarización básica............................... 9.3. Zonas de funcionamiento....................... 9.4. Funcionamiento como amplificador........ 9.5. Funcionamiento como conmutador........ 9.6. Características eléctricas....................... 9.7. Características de conmutación............. 10 Transistor de efecto de campo de óxido metálico ysilicio MOSFET........................................................ 10.1. Constitución y tipos.............................. 10.2. Características de tensión y corriente........................................................ 10.3. Características de conmutación........... 10.4. Tipos de MOSFET

130 130 131 131 131 133 133 133

Página

Página

11 Transistor bipolar de puerta aislada IGBT ..... . ......... 11.1. Introducción ......................................... 11.2. Funcionamiento .......................... .......... 11.3. Características de tensión y corriente .......... .............................................. 11.4. Características de conmutación........... 12 Comparativa entre semiconductores de potencia Actividades..................................................................

134 134 1 34 134 135 135 135

12.4. Modulación senoidal modificada.......... 12.5. Técnicas avanzadas de modulación 13 Circuitos auxiliares de disparo................................ 13.1. Acoplamiento por optoacoplador .......... 13.2. Acoplamiento por transformador de

157 157 158 159

impulsos .................................................. ... ... . 159 14 Filtrado y reducción de armónicos.......................... 160 Actividades ................................................................. . 161 7 Convertidores de potencia

6 Circuitos electrónicos de potencia 1 Introducción..............................................................

136

1 Introducción ..............................................................

162

2 Circuitos electrónicos de potencia. Convertidores

136

2 Fuente de alimentación............................................ 2.1. Clasificación de las fuentes de alimentación..................................................

162

2.2. Fuentes de alimentación lineales........... 2.3. Fuentes de alimentación conmutadas

163 165

3 Funcionamiento del convertidor en cuatro cuadrantes ..... .............. .... ............................................ 4 Reguladores de potencia en corriente alterna. Convertidores CA/CA ............................................. . .... 5 Rectificadores o convertidores CA/CC..................... 5.1. Constitución de los rectificadores.......... 5.2. Clasificación........................................... 6 Rectificadores monofásicos de tensión fija .............. 6.1. Rectificador monofásico de media onda 6.2. Rectificador monofásico de doble onda 7 Rectificador trifásico de tensión fija ................ .......... 7.1. Rectificador trifásico de media onda 7.2. Rectificador trifásico de doble onda 8 Tabla comparativa de los rectificadores no controlados ........ . ...... ................................................... 9 Rectificadores controlados de tensión variable 9.1. Rectificador controlado de doble onda

136 138 138 139 14 0 140 140 141 142 142 143 144 144

2.4. Fuentes de alimentación conmutadas en primario .............................................. . ..... 2.5. Fuentes de alimentación conmutadas en secundario................................................ 2.6. Ventajas e inconvenientes de las fuentes de alimentación lineales ... .. .... . ......... 3 Sistemas de alimentación ininterrumpida ................. 3.1. Constitución y funcionamiento ........... . ... 3.2. Tipos de SAI........................................... 3.3. Características técnicas .......... ............... 4 Relés de estado sólido .............. . ................. . ............ 4.1 Constitución y funcionamiento............... 4.2. Características técnicas.........................

monofásico.................................................... 9.2 Rectificador controlado de doble onda

146

trifásico.................................................... .. .... 9.3. Rectificadores controlados funcionando en cuatro cuadrantes .................................... 10 Reguladores de tensión continua. Convertidores

146

CC/CC ........... . ......... . .............. . .................... . ..... .......... 10.1. Convertidor CC/CC conmutado básico

149 149

5.2. Compensadores estáticos con variación escalonada .................................... 5.3. Compensadores estáticos con variación continua ........................ . ................ 6 Arrancadores progresivos.........................................

10.2. Convertidor CC/CC conmutado con carga inductiva ..................................... .. ....... 10.3. Tipos de convertidor CC/CC .... . ........... 11 Onduladores. Convertidores CC/CA ....... ................ 11.1. Conversión directa CC/CA................... 11.2. Onduladores en puente monofásico 11.3. Ondulador en puente trifásico.............. 12 Sistemas de modulación ............................... . ... . ....

150 150 152 153 153 154 155

6.1. Constitución y funcionamiento de los arrancadores progresivos............................. 6.2. Tipos de arrancadores progresivos........ 6.3. Características generales de los arrancadores .................. . ....... .... ................... 7 Inversores .............................. . ................ . ................. 7.1. Tipos de inversores................................ 7.2. Características generales de los

155

inversores autónomos...... ..................... . ....... 8 Variadores de frecuencia .............. . .............. .... .........

12.1. Modulación en anchura de pulso por semiperiodo................................................... 12.2. Modulación en anchura de varios pulsos por semiperiodo .......... ... ...... . ............. 12.3. Modulación senoidal ................ ............

147

5 Compensador estático de energía reactiva, SVC 5.1. Tipos de sistemas de compensación de energía ................................................. .........

Actividades .......................... . ............ . ........... . ............. . 156 156

163

165 166 167 167 168 168 169 171 171 172 173 173 174 175 176 177 178 178 179 179 181 181 181

Página 8 Convertidores de frecuencia 1 Introducción................................. . ................ ............

182

2 Constitución del variador de frecuencia .... ............... 2.1. Circuito intermedio de tensión .......... ......

183 185 186 186 186 187

2.2. Circuito intermedio de corriente............. 3 Funcionamiento........................................................ 3.1. Funcionamiento en 1° y 3° cuadrante 3.2. Funcionamiento en 2 0 y 4 0 cuadrante 4 Tipos de control ................................... . .................... 4.1. Control escalar V/f ............................. ..... 4.2. Control vectorial..................................... 5 Circuito de control..................................................... 6 Componentes auxiliares ..................... .. ................ . ... 6.1. Bobinas..................................................

Esquema de contenidos

Introducción a los sistemas electrotécnicos de potencia

188 188 190 192 194

6.2. Condensadores electrolíticos.................

195 1 95

6.3. Interfaces de comunicación...................

196

Sistemas eléctricos de potencia

_

7 Protecciones eléctricas utilizadas en variadores de frecuencia....................................................................

196

8 Especificaciones y características generales de los inversores.................................................................... 8.1. Tipo de variador......................................

197 198

Máquinas eléctricas

8.2. Características eléctricas de entrada y salida........................... .... .. ... . .......... .............. 8.3. Diseño interior ........................................ 8.4. Características de control y condiciones de frenado..................................................... 8.5. Protecciones incorporadas..................... 8.6. Ajustes generales y funciones adicionales ............................................. . ......

198 199

Máquinas eléctricas rotativas

199 200 200

Electrónica de potencia

8.7. Características de diseño, instalación y ambientales................................................... 9 Conexión y parametrízación.. ................................... 9.1. Conexión ................................................ 9.2. Parametrización ...................... .... ...........

200 201

Actividades ....................................................... . ..........

201 201 202

Bibliografía .... . ................................... . ........................

203

Circuitos electrónicos de potencia

Convertidores electrónicos de potencia

Variador de frecuencia

Sector industrial

1

2 @©

2 2 2

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Desarrollo Industrial

2 2

El desarrollo industrial ha crecido en estos últimos años de manera exponencial, hecho claramente visible en los productos que adquirimos y usamos a diario. La innovación en componentes electrónicos, origina dispositivos cada vez más

2

rápidos, efectivos, y con capacidad operativa más eficiente.

2 2 2

La simple puesta en marcha de un motor trifásico que mueve un proceso, o el arranque estrella-triángulo, de un motor de gran potencia, por citar algunos ejemplos, han pasado de ser sistemas de accionamiento manual, a estar controlados totalmente por dispositivos electrónicos, a través de arrancadores progresivos o variadores de frecuencia, con el consiguiente control total en tiempo real de los parámetros más significativos, que aseguran el perfecto funcionamiento de las instalaciones.

2 El técnico que se incorpora a esta industria moderna y cambiante al ritmo de los mercados, tiene que estar dotado de unos conocimientos que le permitan, no solo ser efectivo, sino adquirir los medios necesarios para la adaptación y mejora de los 2

2 2 2 2 2 2

2 2 2

procesos. La Formación Profesional, a través de sus Ciclos Formativos, es uno de los caminos directos y eficientes en esta labor. El libro Sistemas Electrotécnicos de Potencia, se adapta a los contenidos del módulo formativo con el mismo nombre que se enseña en el Ciclo Formativo de Grado Superior, "Sistemas de Regulación y Control Automáticos", así como para el módulo formativo Sistemas de Potencia, incluido en el nuevo Ciclo Formativo de Grado Superior "Automatización y Robótica Indutrial". Este libro está por tanto, destinado por un lado al estudiante de Formación Profesional, dentro del ámbito de la Familia de Electricidad-Electrónica, y por otro a la persona interesada en aprender o ampliar conocimientos de dispositivos electrotécnicos de potencia, cada vez más demandados y utilizados a nivel industrial.

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1!

Agradecimientos

2 2

Para relacionar de manera directa los contenidos técnicos que aparecen en el libro

2 2

Di

ABB OMRON

7

RL

con la industria, quisieramos agradecer la colaboración de las siguientes entidades:

O RO U O ET DELIXI BECKHOFF APC CIRCUTOR

1 Introducción a los sistemas electrotécnicos de potencia 1 Introducción

Electrotécnico

Hoy en día nadie tiene dudas sobre el avance experimentado en los últimos 25 años tanto en el sector industrial como en el sector de las comunicaciones y la informática. Estos avances se deben en parte a la mejora en los sistemas informáticos y a la aparición de nuevos componentes y dispositivos electrónicos que han permitido a su vez una mejora considerable en los sistemas electrotécnicos. Los sistemas industriales han evolucionado y lo siguen haciendo hacia el terreno de la eficacia energética y el ahorro económico. La evolución de los sistemas tradicionales de fabricación han generado una serie de nuevos dispositivos eléctricos y electrónicos que en muchos casos han cambiado totalmente la filosofía de trabajo que se aplicaba hasta hace poco. La transformación de la energía eléctrica en energía mecánica y térmica, principales formas de uso de la energía en la industria, se hace ahora de forma más eficiente y por medio de nuevos dispositivos, que van desde motores eléctricos específicos y con elevados rendimientos hasta dispositivos electrónicos capaces de sacar el mejor rendimiento a estos motores. Arrancadores estáticos, variadores de velocidad, fuentes de alimentación conmutadas, relés de estado sólido, son ejemplos de dispositivos electrotécnicos de potencia.

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Si buscamos en un diccionario de la Real Academia de la Lengua Española la palabra "electrotécnico" nos la define como algo perteneciente o relativo a la "electrotecnia", siendo ésta el estudio de las aplicaciones técnicas de la electricidad. Por tanto, podemos afirmar que un sistema electrotécnico es aquel que aplica técnicas de conversión y transformación de la energia eléctrica adecuándola a las necesidades de los usuarios y de la actividad a desarrollar. En la industria, los sistemas electrotécnicos incluyen sistemas eléctricos, electrónicos y electromecánicos.

-1• ,:.

igur 1 1 Automatización industrial.

Uno de los pilares del crecimiento en el campo industrial es la aparición de nuevos y mejores componentes electrónicos capaces de controlar grandes cargas de corriente. La mejora en las características eléctricas de tensión, corriente, potencia y tiempos de conmutación junto con un aumento en el proceso de soportar y disipar elevadas temperaturas, hacen que surjan nuevas formas de control de la energía eléctrica. Componentes como el tiristor y el IGBT, han propiciado un mejor uso de las corrientes entregadas a la carga, siendo la eficiencia energética una de sus principales virtudes. El uso y la mejora de estos componentes, ha sido posible gracias a la mejora en paralelo de los sistemas informáticos de control, tanto a pequeña escala, microcontroladores, autómatas programables, etc., como a gran escala, sistemas informáticos de procesamiento y redes de datos industriales.

Figura 1.2. Componentes electrónicos de potencia.

11 B©©©

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En este campo de la informática industrial, podemos hacer tres grandes grupos de dispositivos, los cuales cumplen cada uno de ellos un papel fundamental en el proceso de regulación y control industrial.

Sistema electrónico programable Un

sistema electrónico

Por un lado tenemos los sistemas electrónicos programables como pueden ser el microprocesador, microcontrolador y sistemas microprogramables. Estos sistemas han permitido un mejor control de los dispositivos electrónicos de potencia. Se han creado algoritmos en lenguajes de bajo nivel para generar y aplicar señales de control adecuadas en cada momento según las necesidades del sistema a controlar.

programable es un circuito

Estas señales de control se aplican por medio de interfaces o adaptadores de señal a los dispositivos de potencia tales como tiristores o IGBT's. La regulación mediante modulación de ancho de pulso y regulación PID, son conceptos que se mejoran gracias a la utilización de los sistemas microinformáticos.

módulos de memoria,

-

electrónico impreso en uno o varios bloques que integra un microprocesador o microcontrolador como unidad central de proceso (CPU), módulos de I/O (entrada y salida) e interface de programación.

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.1 MIII

t.-

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-.

-. tttt,t interface Figura 1.3. Placa microprogramable.

Figura 1 5 Sistema microprogramable.

En un nivel inmediatamente superior al descrito tenemos los autómatas programables, que son los encargados de controlar de forma local o remota una parte del sistema industrial a través de sensores y actuadores. La introducción de pantallas táctiles y sistemas Scada conectados a estos autómatas, han permitido un avance significativo en los sistemas de regulación y control.

Estos circuitos se programan con lenguajes de bajo nivel y son sistemas versátiles que pueden funcionar independientemente o formar parte de un sistema de control más complejo. La plataforma arduino es un ejemplo de sistema microprogramable.

Http://www.arduino.cc/es/

o Figura 1.4 Autómatas programables. (Cortesía de ABB. Cortesía de Omron).

Por último, el tercer bloque está compuesto por ordenadores que controlan y supervisan los sistemas industriales y se encuentran distribuidos a lo largo de la instalación o centralizados en distintos centros de gestión de modo local o remoto, siendo las redes de datos industriales, Profibus, Profinet, EtherCat, etc., las que proporcionan la interconexión de todos los dispositivos que integran un sistema de control.

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T©©©U5 ki- ®©©©©© 1@

Muchos sectores de la industria se han beneficiado y se benefician de las mejoras y aplicaciones que los sistemas electrotécnicos modernos, como la electrónica de potencia o la informática industria!, han proporcionado. Los sistemas electrotécnicos de potencia no solo se aplican en la regulación y control industrial, también se desarrollan sistemas para la industria del tren de alta velocidad, generación y transporte eléctrico, elevación y bombeo, industria del automóvil, sistemas de alimentación ininterrumpida, etc.

Son redes de datos que interconectan sistemas de control industrial. A diferencia de las redes de datos convencionales, los terminales son dispositivos de control, autómatas programables, pantallas táctiles, variadores de frecuencia, drivers, etc., y por supuesto ordenadores de gestión.

.1 Figura 1.6. Ordenador para control industrial. (Beckhoff).

2 Comparativa Histórica En el campo de la automatización industrial hace ya bastantes años que los sistemas cableados dieron paso a los sistemas programados. El contactor y los componentes discretos de maniobra tales como temporizadores, contadores, relés, etc., han ido dando paso a los autómatas programables, más versátiles y con numerosas ventajas con respecto a éstos. El siguiente paso ha sido la introducción de sistemas informáticos cada vez más precisos, que proporcionan no solo un control directo y en modo local de los sistemas, sino que además permiten el control directo actuando sobre el sistema desde un lugar remoto. Pasamos pues de tener un panel o sinóptico con voltímetros, amperímetros, lámparas de señalización y distintos dispositivos de medida analógica a tener pantallas táctiles en las que se representan distintos scadas y donde no solo se pueden visualizar dichos valores sino que a demás se puede actuar en el sistema directamente observando en tiempo real el resultado.

II ! 1

.

Figura 1.7. Estructura de red industrial.

Existen multitud de protocolos de comunicación industrial como EtherCat, Profinet, Profibus, DeviceNet,

ModBus, aunque también existen protocolos como el Bus A-SI que es capaz de conectar e introducir en la red dispositivos de bajo nivel como sensores inductivos, finales de carrera, encoders, etc.

Mediante las redes industriales se consigue un control más preciso y en tiempo real de los procesos industriales.

En paralelo a estos dos hechos, la aparición de nuevos dispositivos electrónicos y en consecuencia la aparición de nuevos convertidores de potencia, ha hecho posible la mejora cuantitativa y cualitativa de los procesos industriales en relación a la eficacia energética. La introducción progresiva de estos dispositivos ha ido desplazando a sistemas tan usados como el arranque estrella-triángulo por arrancadores progresivos, la sustitución de motores de doble bobinado y grandes resistencias estatóricas por motores controlados con variadores de frecuencia, fuentes de alimentación basadas en dispositivos de regulación de tensión o corriente por fuentes de alimentación conmutadas, incluso hoy día se comienza a implantar el transporte de energía eléctrica en CC gracias a la transformación de la energía eléctrica mediante dispositivos electrónicos.

:

Figura 1.8. Conf actor (Delixi).

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iJc Ir!upulu Representación gráfica mediante dibujos estáticos de un sistema industrial en el que se incluyen elementos de señalización visuales (lámparas), sonoros (sirenas) y de actuación (pulsadores). Se realizan por medio de paneles y son únicos para cada tarea.

___________ •

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Figura 1.9. Variadores de frecuencia (Omron yABB).

3 Aplicaciones de los sistemas electrotécnicos de potencia Los sistemas electrotécnicos de potencia tienen multitud de aplicaciones que se

-.,

pueden agrupar en sectores o campos de aplicación. Los sectores más importantes y donde la electrónica de potencia está siendo fundamental son:

II

EM

Arranque y regulación de velocidad de motores eléctricos. Transporte de energía eléctrica. Fuentes de alimentación ininterrumpida.

Figura 1.11. Sinóptico.

Inversores para instalaciones fotovoltaicas. Soldadura eléctrica. Transporte ferroviario. Sector del automóvil.

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Figura 1.10. Scada.

U

Representación gráfica digital y animada de un sistema industrial en el que se incluyen elementos que simulan gráficamente el sistema industrial a controlar. Su aplicación se realiza por medio de pantallas táctiles y ordenadores que permiten la interacción con el sistema y pueden ser modificados fácilmente.

1@ 4 Características de la corriente alterna

Movimiento circular

Los sistemas electrotécnicos de potencia, en la mayoría de los casos, son sistemas que controlan corrientes de naturaleza alterna de potencia, con corrientes de baja señal de naturaleza continua. Para un estudio detallado de los sistemas electrotécnicos o convertidores de potencia es necesario conocer el sistema de corriente alterna. 4.1. Concepto de corriente alterna Una corriente alterna tiene la capacidad o particularidad de cambiar de sentido de circulación cada cierto tiempo. En algunos momentos la corriente es positiva i, y circula desde el punto a al b, y en otros momentos la corriente es negativa -i y se desplaza en sentido contrario, de b a a. Si el tiempo de circulación en un sentido y otro es igual, se dice que la señal es periódica y las alternancias entre un sentido y otro se repiten a lo largo del tiempo. a

b

i -

a

I

b

El movimiento circular es aquel cuya trayectoria es una circunferencia. Ésta se divide en 3600 aunque la medida natural de los ángulos se expresa en radianes, de tal manera que 360 1 equivalen a 2rr rádíánes. Podemos definir por tanto, que la velocidad angular w

es el ángulo recorrido en la unidad de tiempo. Si el ángulo lo definimos en radianes y el tiempo en segundos, la velocidad angular o pulsación vendrá expresada en radianes por segundo rad/s.

Figura 1.12. Corriente alterna.

Para invertir el sentido de la corriente es inevitable que ésta siempre pase por cero lo que supone otra característica más de la corriente alterna.

En un movimiento circular se pueden definir dos conceptos más, el periodo T y la frecuencia f.

4.2. Naturaleza de la corriente alterna senoidal En general, existen multitud de tipos de corriente alterna que cumplen con las características comentadas anteriormente. No obstante, la señal más común en los sistemas eléctricos de corriente alterna es la corriente alterna senoidal. Esto es debido a que el suministro eléctrico se hace con este tipo de señal, que a su vez viene impuesto por la naturaleza del sistema de generación basado en alternadores que generan corrientes alternas senoidales. El alternador, por tanto, es una máquina eléctrica que genera corriente eléctrica de naturaleza alterna senoidal a partir del movimiento circular de su eje. No entraremos en detalles ya que este tipo de máquina se verá con más detenimiento en temas posteriores, pero para explicar su funcionamiento, simplificaremos y partiremos de una bobina que gira dentro de un campo magnético fijo y constante.

El periodo es el tiempo que se emplea en recorrer una circunferencia completa a una velocidad angular determinada. El número de vueltas que se dan en un segundo se define como frecuencia. Por tanto, podemos expresar la velocidad angular en función del periodo ola frecuencia.

J2it 105° 120° 7n/12 2ui3

90° n/2

51T112

60° 45° 014

135°

ul 1500 5or/6

30° iiI6

165° lltr/12

150 ¶1/12

1800

00-360° 0- 2n

11

13rri12___________________ 195°

___________________

23r/12 345°

11u/6 3300

7n16 210° 2250 3 Brri6 240° 17,112 3012 19,02 300° 255° 270° 2850

315°

-v

Figura 1.13. Generación de corriente alterna senoida/.

Mb

-

ds P@I(Dn@'05

ET La bobina, al cortar las líneas de fuerza del campo magnético en su movimiento, genera una fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida, lo que provocaría una corriente eléctrica en el caso de que esta bobina estuviera conectada a una carga externa. Esta f.e.m. inducida va cambiando de valor a medida que la bobina se va desplazando de forma circular dentro del campo magnético. Podemos ver que los valores máximos, positivo y negativo, se alcanzan en el momento que la bobina se encuentra perpendicular al campo magnético. Por otro lado, el valor cero o paso por cero de la señal generada se obtiene cuando la bobina está totalmente paralela al campo magnético y no corta líneas de fuerza.

13

Señales periódicas no senoidales

En la imagen se pueden observar tres tipos de ondas periódicas muy usadas en electrónica. Onda Cuadrada

4.3. Valores instantáneus j características de la uorriente alterna senoidal El valor instantáneo de la tensión inducida y, viene determinado por el ángulo del vector que indica la posición de la bobina con respecto al campo magnético. Para determinar su valor partimos del valor máximo de la tensión que corresponde a un ángulo de 90 1 por tanto situamos el valor máximo V, en el eje

Onda Triangular

,

y. A partir del valor máximo y del ángulo p obtenemos el valor instantáneo de la tensión.

vLf

-'

L_--(

= Vm senp

Figura 1.14. Valor instantáneo de la tensión.

Onda Diente de Sierra

Ya hemos dicho que esta señal es periódica lo que significa que se repite a lo largo del tiempo. En cada giro completo del vector se completa un ciclo de la onda y el tiempo que tarda en completarse se denomina periodo T. Al número de ciclos que la onda realiza en un segundo se le denomina frecuencia f. Por tanto, periodo y frecuencia son dos parámetros característicos no solo de una onda senoidal sino de cualquier tipo de señal periódica. Periodo T Es el tiempo que dura un ciclo, o el tiempo que tarda la onda en volver a repetirse. Su unidad es el segundo. Frecuencia f. Es el número de ciclos que se dan en un segundo, o el número de veces que la onda se repite en un segundo. Su unidad es el Herzio Hz, y se define como la inversa del periodo.

Ff

]

Por otro lado, sabemos que el vector gira a una velocidad angular w (omega) también llamada pulsación, que corresponde al ángulo recorrido en un tiempo determinado. Si expresamos el ángulo en función de la velocidad y el tiempo:

Vm •senq = Vtmx .Senw

Figura 1.15. Señales periódicas.

®©©©©© Jc Si a la bobina del generador se le conecta una resistencia de carga, la f.e.m. inducida produce una corriente de valor instantáneo igual a,

I

ii (t) = I.. sen

='max seno)t

4.4. Amplitud, valor eficaz, y valor medio de una onda senoidal Generalmente, en sistemas eléctricos, los valores instantáneos son usados en cálculos donde el tiempo y la frecuencia son factores determinantes, en especial cuando las cargas eléctricas están compuestas por bobinas y condensadores. No obstante, es frecuente referirse a valores de tensión y corriente en valores no dependientes del tiempo, introduciendo así otro tipo de parámetros que se obtienen a partir de la onda senoidal y de la expresión de sus valores instantáneos.

Semiciclo positivo + T12 Semiciclo negativo - T12

)lltud

A Longitud de onda ELT (s)

Figura 1.16. Onda senoidal.

Valor máximo de pico o amplitudA, Como se ha dicho, es el valor máximo de la onda o señal, y para una onda senoidal corresponde un ángulo de 900 (sen90 0 = 1).

Longitud de onda La longitud de onda se representa por la letra griega Lambda A, y es la distancia que mide una onda ya sea de aire, electromagnética, de agua, etc., tomada desde dos crestas o valles consecutivos (Fig.1 .16). En nuestro caso nos vamos a referir a ondas eléctricas o electromagnéticas y tiene una importancia relevante en sistemas de comunicaciones. La longitud de una onda electromagnética está relacionada con su frecuencia de tal manera que si la frecuencia aumenta la longitud disminuye y viceversa. Por otro lado, sabiendo que la velocidad de una onda electromagnética se desplaza a la velocidad de la luz c=300.000km/s, con una simple operación podemos calcular la longitud de una onda electromagnética conociendo su frecuencia.

km

x=i Amax

= A .sen9Oj

MIIX

=

.sen9j

=

sen9O°

Valormáximo de pico a picoA. Es la diferencia entre el valor máximo y minimo de una señal periódica. Para el caso de una señal senoidal, el valor máximo se da para qi=901 (sen901 =1), mientras que el mínimo se da para p=270 0 (sen270 0 =-1). De esta manera, el valor máximo de pico a pico A pp es,

A1

-

, 11

=

(

Amax

L

sen90° ) -

sen2 7Ø0) =

- (~ A) = 2

=2VJ =

Valor medio A,, El valor medio de una señal periódica es la media aritmética de todos los valores instantáneos producidos en un determinado tiempo. Para la señal senoidal el valor medio es cero, ya que los valores instantáneos del semiciclo positivo se anulan con los del semiciclo negativo.

A. . + (— A . )=O

= V..+(—V) H

=____

'=km [Hz

1®

-

Valor eficaz A 0 . Es el valor de tensión o corriente equivalente a una tensión o corriente continua que genera el mismo calor en una resistencia determinada. Para una onda senoidal el valor eficaz también conocido como rms viene dado por.

12p

y1.1 . =v,,, -...

r

—1

5 Impedancia. Resistencia y Reactancia

-

La impedancia Z, en un circuito eléctrico es la resistencia que opone un dispositivo al paso de una corriente eléctrica alterna. A diferencia de la resistencia, la impedancia varía en función de la frecuencia de la señal alterna. Se descompone en dos componentes, resistencia y reactancia. De estas dos componentes la resistencia es la que no depende del tiempo y es introducida por componentes resistivos que no varían su valor con la frecuencia. La reactancia depende de la frecuencia y es introducida por bobinas y condensadores. De esta forma podemos determinar que la impedancia Z en un circuito de corriente alterna está determinada por el valor de los componentes pasivos, resistencias, bobinas y condensadores. El valor de éstos para corriente alterna viene expresado por las siguientes funciones. Resistencia R. Su valor no depende de la frecuencia. Permanece constante para todo el rango de frecuencias. Se representa por la letra R su unidad es el ohmio O. Reactancia inductiva XL . Su valor depende proporcionalmente de la inductancia L (Henrios), y la frecuencia f (Hz), de tal manera que a más frecuencia y más inductancia, más reactancia. Se mide en ohmios, y viene determinada por la siguiente expresión

Lx

Cálculo del valor medio de una onda senoidal A partir de una onda senoidal de valor instantáneo v(t) representada por la expresión:

v(t)=V venot '111Ix

Se define el valor medio como la suma algebraica de todos los valores instantáneos de dicha señal comprendidos en un periodo de tiempo que coincide con el periodo de la señal. Este valor corresponde con la altura de un rectángulo cuya área corresponde al área de la función comprendida entre dicho tiempo. Matemáticamente esto se realiza integrando la función v(t) entre oyT

VseF1o)tdl

=

1' = 2

L

=0

2

21L

Figura 1.17. Valor medio.

A señales de frecuencia cero, corriente continua, la reactancia inductiva XL es cero, comportándose como un cortocircuito. Para frecuencias elevadas la reactancia se hace elevada de tal manera que se acerca a una resistencia infinita o circuito abierto cuando la frecuencia es muy elevada. Reactancia capacitiva X. Su valor es inversamente proporcional a la capacidad C (faradios) y a la frecuencia f(Hz). Igual que las anteriores se mide en ohmios y se determina por.

Xi.

oC

7 7r j

Para señales de frecuencia cero, corriente continua, la inductancia capacitiva es infinita lo que significa circuito abierto porque impide el paso de la corriente eléctrica. Por el contrario, para frecuencias elevadas la reactancia inductiva disminuye su valor llegando a convertirse en un cortocircuito virtual, reactancia cero.

:(s)

si W9 @IUMS@® @©©©©© c1 La impedancia la podemos representar de forma vectorial a través de sus componentes horizontal, resistencia, y vertical reactancia. En este sentido hay que decir que la reactancia Xes la suma vectorial de la reactancia inductiva y capacitiva. Para determinar el ángulo que forman la resistencia y la impedancia calculamos el arctg que forman los vectores R y X.

Z= +

Z = JR

+ x2

XL

XL

Xc

Xc

X=XL — Xc X=XL — Xc p = arctg

Figura 1.18. Impedancia.

6 Comportamiento de los componentes pasivos ante una

Cálculo del valor eficaz de una onda senoidal El valor eficaz de una señal alterna senoidal, también conocido como valor efectivo o RMS (Root Mean Square-Raiz Media Cuadrática), se define como el equivalente de una fuente de corriente continua que produce la misma potencia que durante un ciclo completo de la señal senoidal. Es por tanto la raíz de la suma de los cuadrados de los valores instantáneos de la señal

corriente alterna Para los sistemas electrotécnicos de potencia es importante conocer el comportamiento que tienen los componentes pasivos ante una corriente alterna senoidal. Las resistencias, bobinas y condensadores son utilizados en numerosas aplicaciones formando filtros para señales indeseadas en el caso de las bobinas y condensadores y como dispositivos fijadores de tensión o disipación de potencia en el caso de las resistencias.

y1

= I1-J T

V2

(l)d1

Para

V(t) = Vsencot La tensión eficaz, queda: V—nIx

6.1. Circuito con resistencia

Figura 1.20. Valor eficaz.

La resistencia eléctrica no produce ningún efecto de adelanto o atraso de la corriente con respecto a la tensión. Se dice que ambas están en fase. La misión de una resistencia es la de disipar energía en forma de calor lo que implica un consumo de potencia activa. Para un circuito con resistencia la expresión de la corriente viene dada por la ley de Ohm.

P'R=

:(s)

IH 1

V-1 iR

Vo

x

Figura 1.19. Circuito con resistencia.

7 6.2. Circuito con inductancia

Números complejos y la corriente alterna

Una bobina o inductancia es un elemento pasivo con carácter electromagnético que al ser atravesada por una corriente alterna se inducirá en sus extremos una tensión contraria a la de alimentación. Esto hace que la corriente no pueda variar de forma inmediata en un primer instante sino más lentamente. Es por ello que la corriente se retrasa 90 1 eléctricos con respecto a la tensión, solo para inductancias ideales, es decir, sin componentes resistivos.

-

1

Vo

V-1 ¡L

v

CD

Li

El comportamiento de la corriente alterna en publicaciones más profundas se explica utilizando el cálculo complejo. En este sentido la impedancia se considera un número complejo tomando la resistencia como un valor real y la impedancia como un valor imaginario.

Z = R + jX

1 =

A partir de esta expresión, la impedancia queda definida porsu módulo yfase.

! = 3 = _V

L

x

zq,

X L wL 21tJL

ZJR 2 + X 2 X arctg -

Figura 1.21 Circuito con bobina.

6.3. Circuito con condensador Cuando un condensador es conectado a un sistema de alimentación alterna, en el primer instante y al estar sin carga, la tensión empieza a aumentar lentamente a medida que se va cargando. La corriente por el contrario es elevada y va disminuyendo a medida que aumenta la tensión en las armaduras del condensador. Cuando la señal alterna ha llegado a su máximo valor el condensador comienza a descargarse disminuyendo la tensión lentamente. Ese ciclo de carga y descarga se lleva a cabo en cada ciclo de la señal de alimentación y origina que la corriente esté adelantada con respecto a la tensión 900 eléctricos, siempre y cuando el condensador sea ideal, sin componente resistiva.

-.

L- 1

Vo(.f')

V-1

vc

I( =

=VeC=V.2itfC

(i)C

Figura 1.22. Circuito con condensador.

La reactancia considerada valor imaginario depende de la reactancia inductiva y capacitiva que se determinan, por:

X L =joL X. X

coC (OC

11 Ü©©©

ds

i B@i

6.4. Circuito R-L-C, Resitencia, Bobina, Condensador

Definición de desfase en señales senoidales

Tanto las bobinas como los condensadores no son ideales e incorporan una pequeña resistencia que interviene en el ángulo de desfase entre la corriente y la tensión. Para estudiar la influencia de la resistencia en conjunto con la bobina y el condensador ante una corriente alterna, partimos de un circuito serie donde introducimos un componente de cada tipo.

El desfase de una señal senoidal determina el adelanto o atraso de esa señal, que puede ser de tensión o corriente, con respecto a otra

En este caso, la impedancia total es la suma vectorial de la resistencia y la reactancia, siendo esta a su vez la suma vectorial de la reactancia inductiva y la inductancia capacitiva. Para ver con mejor claridad los cálculos necesarios y el efecto que tiene cada componente ante una corriente alterna, asignamos valores a cada uno de los dispositivos implicados.

que tomamos como referencia. Esta última la podemos referenciaren el inicio del eje con un ángulo p=O.

v0 (t) R=iooC)

=V

p sen(.p ()

L=500mH

1 VR

0 con un ángulo inicial deter-

1 vL

minado, porejemplode 900.

_j_

VO=100v

C=iooF (i =i)

¶

+900

Una señal podrá estar retrasada o adelantada a la señal Figura 1.23. Circuito RLC.

de referencia con un ángulo determinado p,.

Para la resolución del circuito comenzamos calculando la impedancia total Z y el ángulo de desfase que introduce entre la corriente total 1, y la tensión de alimentación V, Comenzamos calculando la reactancia definiendo en primer lugar la reactancia inductiva ycapacitiva.

V,

(t) = Vm sen(po —()

Adelanto.

XL =2itfL=2ir 500,5=157,08

xc =

Atraso.

1 = ___31,83 2ir/C 2ir•500,0001

v2(t)=Vmsen((po+92)

125,25fl

X=XL —Xc

y

y

XL

XL

xc

S)

Figura 1.24. Cálculo de la reactancia. Figura 1.26. Desfase.

Seguimos con el cálculo de la impedancia total y el ángulo que forman el vector de la resistencia y la reactancia.

_________

______________

y

Z,= R2 +X 2 = IOO2 + 125,25 2 =160,27Q

Pz

X =arctg—=arctg125,25 100 =51,390

/ 1

X

Figura 1.25. Cálculo de la impedancia.

Q®r Con estos valores podemos calcular el valor de la corriente total 1, que circula por el

Resonancia

circuito.

/e

z,

100V =0,62,4 I60.27Q

El ángulo que forman la corriente y la tensión vendrá dado por la diferencia de ángulos entre la tensión y la impedancia. Nuestra referencia es la tensión de la red por tanto, su ángulo de fase lo consideramos 0 0 El ángulo de la impedancia ese¡ que se calculó anteriormente (p,=386 1 positivos, lo que indica que es una reactancia del tipo inductiva.

=Øu

=O°-51,39°=-51,39°

La resonancia es una característica de los circuitos eléctricos de corriente alterna donde intervienen bobinas y condensadores. Se dice que un circuito eléctrico RLC entra en resonancia cuando la reactancia inductiva es igual a la capacitiva.

X L =X(.

=51,390

Cuando esto ocurre la reactancia se hace cero. Figura 1.27. Cálculo del desfase V-l.

X=X L —X ( =0 El desfase negativo de la corriente con respecto a la tensión nos indica que la corriente se atrasa con respecto a ésta, lo que reafirma que el circuito es más inductivo que capacitivo. V-1

En este caso la impedancia del circuito se hace puramente resistiva.

Z = IR 2 + X 2 = / R 2 + O = R S)

Ala frecuencia que se produce la resonancia se denomina frecuencia de resonancia.

Figura 1.28. Desfase V-l.

Filtros eléctricos Son circuitos complejos comúnmente utilizados en sistemas eléctricos y electrónicos. El componente básico y principal de un filtro es una bobina o condensador, aunque los filtros más complejos incluyen circuitos electrónicos que determinan con más aproximación el efecto deseado del filtro. Básicamente la misión de un filtro es la de impedir el paso desde o hacia la carga, de señales eléctricas de determinada frecuencia o comprendidas en un rango de ésta. En función de la frecuencia de corte o paso del filtro podemos encontrar tres tipos. Pasa baja. Deja pasar señales de frecuencias bajas y bloquea las señales de frecuencias altas. Pasa alta. Bloquea las frecuencias bajas y deja pasar las señales de alta frecuencia. Pasa banda. Está referido a un margen de frecuencias por encima o debajo de las cuales bloquea las señales.

2irfL=

1

= 2ir

21 2nfC

11

©©©

7 Potencia en corriente alterna

Uso del condensador y bobina como filtros básicos

La potencia en corriente alterna es igual que en corriente continua y está expresada por el producto de la tensión por la corriente. Sin embargo, hemos visto que en corriente alterna la corriente no tiene porque estar en fase con la tensión, lo que origina una potencia reactiva que es introducida por las bobinas y condensadores del circuito. Podemos hablar entonces que en corriente alterna la potencia se descompone en dos componentes, dando como resultado tres tipos de potencias. Y

A

Un condensador o una bobina por si solos pueden constituir un filtro básico pasa baja o pasa alta. Dependiendo de la conexión del condensador o bobina con respecto a la carga ya la variación de la reactancia capacitiva o inductiva en función de la frecuencia, podemos obtener el efecto deseado.

P Figura 1.29. Potencia alterna. Potencia aparente. Es el producto vectorial de la corriente y la tensión o la suma

Teniendo en cuenta la expresión de la reactancia capacitivae inductiva,

vectorial de las componentes activa y reactiva. Su unidad es el Voltio-Amperios VA.

x. s=v.I -

-

-

S=P+Q

5jp2

~

1

1

oC

2irfC

X L =w•L=2fL

Q2

A frecuencias altas X dismi-

= a/'ctg

P

Potencia activa. Es la potencia efectiva, la que produce trabajo y es desarrollada

nuye llegando a considerar al condensador como un circuito cerrado a frecuencias muy altas.

por la componente resistiva del circuito. Su unidad es el watio w, se representa por la Por el contrario a frecuencias bajas X. aumenta de manera

letra P y está determinada por la siguiente expresión.

P = S cosp = V ¡ cosp

1

Potencia reactiva. Es introducida por las bobinas y condensadores y no desarrolla trabajo. Sirve para crear el campo eléctrico que produce la bobina o el campo eléctrico que proporciona el condensador. Se representa por la letra Q y su unidad es el Voltio-Amperio reactivo Var. Se determina por la siguiente expresión.

Q= S

senp =

1" /

.ven(p

La potencia reactiva es el resultado de la suma vectorial de la potencia reactiva inductiva QL y de la potencia reactiva capacitiva

que a frecuencia cero el condensador se comporta como un circuito abierto. En el caso de las bobinas el efecto es contrario ya que la reactancia inductiva es inversa a la capacitiva.

si bi

TÜJ

En potencia alterna el coscp también llamado coseno de fi o factor de potencia, es un parámetro característico de una instalación o dispositivo y nos da una idea de la proporción de potencia activa, que realmente es la que nos interesa, que hay en la potencia total o aparente de dicha instalación o dispositivo.

P=Scoscp

COS(p:

Filtro pasa alta Filtro

c

P

z [j

8 Sistema trifásico de corriente alterna En sistemas electrotécnicos de potencia tanto el suministro como el consumo de de energía eléctrica no se hace a través de sistemas monofásicos como los vistos anteriormente. En este caso es común trabajar con sistemas trifásicos que son capaces de transportar y entregar mayor potencia para mismos niveles de tensión y corriente.

[j

Altas frecuencias

El fáctor de potencíá fdp, siempre es menor o íguál á 1. Cuándo lá cárgá es purámente resístívá el cosq es uno, pues todá lá potencíá desárrolládá es potenciá activa. En el otro extremo cuándo no existe potencíá activa, todá lá potencíá es reáctívá y el coscp es cero. En instalaciones eléctricas es recomendable mantener un cosq cercano á lá unídád. No siempre es fácil ya que las cargas inductivas como los motores eléctricos introducen potencia reactiva que hace que el cosq dísmínuyá. Párá compensár este hecho se suele ínstálár un compensádor de energía reactiva que compense el nivel de reactiva inductiva de la instalación y mantenga el fdp lo más cercano a 1.

z CD

1 ZL

ZL

lic

Bajas frecuencias 1=0

1=

ZL

z

Figura 1.30. Filtro pasa-alta.

Filtro pasa baja Filtro L

0050-00

c ZL

-'

Para entender mejor el sistema eléctrico trifásico tendremos que ver como la corriente alterna trifásica es generada, al igual que hicimos en el sistema monofásico. En este último, existía una bobina que giraba dentro de un campo magnético fijo. Para los sistemas trifásicos se introducen otras dos bobinas formando un sistema de tres bobinas separadas con un ángulo de 120 0 . Estas bobinas en su giro circular generan una corriente trifásica compuesta de tres señales denominadas fases o líneas. Cada fase genera una onda senoidal monofásica que está desfasada con la anterior 120 1 eléctricos.

Bajas frecuencias

1

Altas frecuencias 1=0

1=0v

ZL

En este sistema trifásico se dan dos tipos de tensiones y corrientes, las que están referidas a una sola fase denominada tensión simple o de fase, y las que se obtienen entre dos fases llamadas compuestas o de línea.

Tensión de fase o simple. Generalmente nos referimos al término fase a la bobina en el interior del alternador. Cuando la relacionamos con un valor de tensión o corriente se refiere a una tensión simple, tomada en los extremos de esa bobina o fase del alternador de forma aislada. En definitiva, la tensión de fase es la tensión inducida en cada una de las bobinas del alternador.

Zi

Z

Figura 1.31. Filtro pasa-baja.

ZL

©©©

®

© r©©©©

® 0•

120°

90° 11/2

2Tr/3

_L2\\

0°-360° O - 2rr

180° U

8TT16

240°

3u, 2 2700

-v

Figura 1.32. Generación de C.A. Trifásica.

Tensión de línea o compuesta. Las bobinas del alternador o fases están interconectadas entre sí de manera que podemos tomar un nivel de tensión entre dos extremos de bobinas distintas lo que nos proporciona un nivel de tensión compuesta o de línea. Generalmente, para definir un sistema trifásico nos referimos siempre a la tensión de línea o compuesta, aunque ambas están relacionadas mediante las siguientes expresiones.

8.1. Sistema de conexiór El sistema de conexión de las fases proporciona dos tipos de sistemas trifásicos conocidos como sistemas a tres hilos o sistemas a cuatro hilos. Todo dependerá de la existencia de un conductor neutro.

Ventajas de la comente alterna trifásica con respecto a la monofásica - Con un solo generador se produce una red trifásica que se puede considerar como tres redes monofásicas. - Reducción de número conductores. Tres redes monofásicas requieren seis hilos de transporte mientras que en trifásica serían tres o cuatro. - Aumento de la capacidad de transporte en términos de potencia. - Disponibilidad de dos valores de tensión, línea yfase.

Sistema trifásico a tres hilos. Cuando la conexión de las bobinas en el generador o el transformador de distribución se realiza en triángulo, el sistema proporciona únicamente tres líneas de alimentación correspondientes a L,, L, y L 3 .

En este caso la corriente de línea es diferente a la corriente de fase en una proporción que viene determinada por la siguiente expresión:

Li Li

L2

La tensión suministrada por este sistema es únicamente tensión de línea:

L3 Figura 1.33. Sistema trifásico a tres hilos.

23 Sistema trifásico a cuatro hilos. En este caso la conexión de las bobinas del

Sistema de distribución en baja tensión

alternador o transformador se realiza en estrella, lo que permite un nuevo conductor neutro N, que nos da acceso a las tensiones de fase.

El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión REBT, en su Artículo 4 punto 2, define las tensiones nominales usualmente utilizadas en las distribuciones de corriente alterna de baja corno:

Con la conexión en estrella y el acceso al conductor neutro podemos disponer de las dos tensiones, de línea y de fase.

b=J La corriente de línea en este caso es igual a la corriente de fase.

rI

- 230V entre fases para redes trifásicas de tres conductores. V =230, no existe

L

la tensión de fase. 112

- 230V entre fase y neutro. Y 400V entre fases para redes trifásicas de cuatro conductores. V L =400V, V=230V.

L2

La frecuencia empleada en la red será de 50Hz.

Li

Li

VL=230V L2 L3

L3

o Li

N Figura 1.34. Sistema trifásico a cuatro hilos.

VL=4OOV L2 L3

VF=230V

N

8.2. Potencia trifásica Figura 1.35. Redes de baja

En un sistema trifásico equilibrado la potencia absorbida por una carga trifásica es la suma de las potencias de cada una de las fases. Al igual que en sistemas monofásicos, la potencia también se compone de potencia aparente, activa y reactiva. De esta manera podemos definir la potencia a través de las siguientes expresiones. Potencia trifásica aparente. Es la suma de las potencias aparentes de cada fase.

S = S. + S F2 + SEs S=

VFlIFI

+ V 2 I,, + VF31p3

S=3VE IF

tensión.

©©©

®E

Si tenemos una conexión triángulo.

V,. =VL

1@ Sistema trifásico equilibrado

1

F

k

Se dice que un sistema eléctrico trifásico es simétrico o está equilibrado cuando las

S3V1

3 V 'L

corrientes de línea y las tensiones de fase son iguales en magnitud y guardan el mismo ángulo de desfase entre tensión y corriente.

Si la conexión es estrella.

vfl = VF2 = 1— L 1P

S=3V.I =3 VL II.

JV,j

VI..3

'L2 = 'L3

(p1 —P 2

P3

Podemos observar que independientemente de la conexión, estrella o triángulo, la potencia aparente en un sistema trifásico equilibrado en función de la corriente y tensión de línea, es la misma. Esto ocurre con la potencia activa y reactiva. O Potencia activa. Para sistemas equilibrados el ángulo p es íguál en todás lás fáses, = = (p2 = (p3 . Figura 1.36. Sistema equilibrado.

P =PFI + Pi., + P = V, 1 J

Pfl

1 COSp 1 + VF242costp2 + V 3 I 3 co.93

P = 3V,,J,. COS(

Por el contrario, un sistema asimétrico o desequilibrado presenta una diferencia de corrientes de línea y de ángulos de fase con respecto a las tensiones.

Como se ha dicho y se ha demostrado anteriormente, la potencia en función de la tensión y corriente de línea es independiente del tipo de conexión.

'LI

'L2

'L3

(p 1 #(p, *(p3 P=.VL •IL CoS O Potencia reactiva. Aplicando los mismos criterios que en los casos anteriores tenemos:

Q = QFI +QF2 +QF3 Q=V 1

4 1 senp 1 + VF2JF2senp2 + VF3 IF3senp3 Q=3VF IF senp Q=.V.J.senp

eü

25

-

Al igual que en sistemas monofásicos, una vez que se ha determinado las componentes de la potencia aparente, se puede determinar el fdp o cosq trífásico siguiendo las mismas pautas.

HS1 -

w

ctivid ades

1.1. Realizar un esquema que represente la evolución de los sistemas de control automático desde los dispositivos de control electromecánicos más básicos hasta los dispositivos de control más complejos de hoy día y que han permitido la mejora en los sistemas electrotécnicos. 1.2. Para un circuito RLC como el de la figura 1.23., calcular los parámetros de la impedancia total, corriente total y tensión en cada uno de los componentes. Los valores del circuito son: V 0 230V, 50Hz, R15000, L1,5H, C1000pF. 1.3. Para el circuito del ejercicio anterior calcular la frecuencia de resonancia. A esta frecuencia calcular como quedaría la corriente total del circuito.

2 Sistemas eléctricos de potencia

/..

1 Sistema eléctrico En la industria, sea del tipo que sea, y como en el resto de actividades del ser humano, necesitamos la energía como elemento indispensable para realizar un trabajo. Dependiendo del tipo de industria, la energía eléctrica puede presentarse de diferentes formas y maneras según el tipo de carga y potencia requerida. Por ello, la distribución eléctrica desde su generación hasta el punto de consumo, desarrolla un papel importante en el desarrollo de la sociedad. El sistema eléctrico en su conjunto es bastante simple y lo podemos dividir en diferentes bloques: generación, transporte y distribución. Si estudiamos cada uno de estos bloques observaremos, a medida que profundizamos, un aumento de la complejidad del sistema. Esta complejidad crece en proporción al aumento de las necesidades energéticas de la sociedad y a los tipos de carga, lo que lleva a las compañías generadoras y distribuidoras a invertir grandes cantidades de dinero para mejorar y ampliar los sistemas eléctricos en cada uno de estos bloques o sectores. Generación Ii,M.l"ÍF

o

Distribución

Figura 2. 1. Sistema eléctrico.

Tradicionalmente, tanto la generación como el transporte de la energía eléctrica se han realizado en corriente alterna (CA), usando transformadores para elevar la tensión, reduciendo la corriente y reducir así las pérdidas provocadas por la caída de tensión en el cable. El aumento de las necesidades energéticas aumenta la dificultad del transporte eléctrico en CA en relación a la eficiencia energética y económica, y es por ello por lo que se empieza a implantar enlaces de transporte eléctrico en corriente continua (CC). No obstante, el transporte de energía eléctrica en corriente continua (CC) se empezó a implantar en los años 50 en instalaciones especiales. El desarrollo de la electrónica de potencia está permitiendo la creación de dispositivos de conversión de altas corrientes alternas en continuas, lo que está dando paso a la instalación de nuevas líneas de transporte en CC que en un futuro pueden sustituir algunas de las actuales lineas de CA.

2 Características del sistema eléctrico Generalmente, el sistema eléctrico se caracteriza por la tensión nominal y el número de fases, y se puede afirmar que las redes eléctricas son trifásicas en la generación y el transporte, pudiendo ser monofásicas para algunas instalaciones de Baja Tensión "BT" y para la mayoría de instalaciones de interior.

La energía eléctrica es una energía que se puede generar y consumir al instante o almacenar para un posterior consumo. No obstante para un sistema eléctrico a gran escala, el almacenaje de energía eléctrica es inviable por no decir imposible. Así, un sistema que genere y distribuya energía eléctrica a gran escala tiene que ser capaz de coordinar la generación de la energía en función del consumo que se requiere en cada momento. En este sentido, un sistema eléctrico que genere y distribuya la energía eléctrica a un gran número de usuarios es un sistema complejo que requiere de alta tecnología y personal cualificado.

ds Una primera clasificación de las líneas

Red

eléctricas se puede hacer según la tensión

Tensión de servicio (V) 127V 240V 400V 600V 1000V 3kV 6kV 10kV 15kV 20kV 36kV 45kV 66kV 110kV 132kV 150kV 220kV 400kV 765kV 10000

de servicio y el uso al que está limitada. Baja Tensión BT

La tabla adjunta muestra una clasificación de las redes eléctricas en función de estas características y está elaborada según las prescripciones de las compañías suminis-

Media Tensión MT

tradoras cumpliendo con la normativa CEI (Comisión Electrotécnica Internacional) y con el REAL DECRETO 195512000. de 1 de diciembre, por el que se regulan las activida-

Alta Tensión AT

des de transporte. distribución, comercialización, suministros y procedimientos de autorización de insta/aciones de energía eléctrica.

Muy Alta Tensión MAT Ultra Alta Tensión UAT

Por otro lado y según el Reglamento Técni-

Uso

Producción y distribución

Producción y distribución

Transporte y Distribución

Transporte Transporte

Tabla 2. 1 Clasificación de las redes eléctricas.

co de Líneas Aéreas de Alta Tensión en su artículo 3 0 podemos hacer una clasificación .

de las redes eléctricas por categorías en función de la tensión nominal de servicio, entendiéndose ésta como el valor de la tensión eficaz entre fases con el que se -

Sector eléctrico en España

designa a la línea eléctrica. Tabla 2.2. REE (Red

En España el sector eléctrico está regulado por el Minis-

Eléctrica de España). Esta empresa es la encargada del transporte y de la operación

terio de Industria, Energía y

El principal operador del sistema eléctrico español es la empresa del sistema eléctrico nacional, Península Canarias y Baleares.

Turismo, a través de la

REE se creó en 1985 y ha sido la primera empresa en el mundo en dedicarse en

Secretaria de Estado de la Energía.

exclusiva al transporte de electricidad y a la operación del sistema eléctrico como actividades separadas de la generación y distribución.

Categoría de Línea

31

29

11

Tensión Nominal de Red (KV)

Tensión más Elevada de Red (KV)

3

3,6

6

7,2

10

12

15 20*

17,5

.

24

30

36

45 66*

52 72,5

132 220*

245

400*

420

145

* Tensiones preferentes de uso en redes eléctricas de compañia Tabla 2.2. Categoría de las redes eléctricas.

En su página web http://www.ree.es se puede consultar el mapa de la red eléctrica, y los consumos diarios, mensuales y anuales que tenemos en nuestro país.

Http.i!www.minetur. gob. es! energia/electricidad/Paginas /lndex. aspx

Dicho organismo divide el sector en actividades reguladas y no reguladas. Como actividades reguladas tenemos el transporte y la distribución y las no reguladas la producción y la comercialización. Estas últimas se desarrollan en régimen de libre competencia y sometidas a autorización administrativa.

®cM©© 2.1 Tipos de redes eléctricas en función de su uso Las redes eléctricas se pueden clasificar no solo por su tensión de servicio, también en función de su uso. Así podemos encontrar dos grandes grupos de redes eléctricas, Redes Eléctricas de Transporte, y Redes Eléctricas de Distribución.

Estos dos grupos integran a su vez un número de redes definidas. Redes MAT (Muy Alta Tensión)

Redes AT (Alta Tensión)

: ¡gura 2.2. Uso de las redes eléctricas.

Red de Reparto (Red Primaria) [

Red Secundaria

Red de MT (Media Tensión)

1

Red de BT (Baja Tensión)

3 Generación de energía eléctrica Consumo eléctrico La generación de electricidad se puede realizar por medios físicos, mecánicos y químicos. Dependiendo de la utilidad y potencia requerida se utilizará uno u otro medio de generación.

Medios Físicos

[

Fotovoltaica

Térmica Generació de rgiaIéct

rdios Me Mecánicos

Eólica

Medios Químicos

r

cwwn Solar TÁrmica BIomasa

1

1

Hidráhulica

..

.

1 1 1

[

Aem

orador

1

Pilas y Baterías

El consumo eléctrico de la península en el mes de Marzo del año 2012 alcanzó los 21.311GWh con una potencia instalada de 100.560Mw. En este mes la producción de energía por sectores fue: Renovables: 29%

Eólica: 17% Solar Fotovoltaica: 3% Hidráulica: 6% Solar Térmica: 1% Térmica Renovable: 2%

Figura 2.3. Formas de generación de la energía eléctrica No renovables: 61%

Nuclear: 24% Carbón: 20% Ciclo combinado: 14% Cogeneración y otras: l3%

Los medios físicos transforman mediante un

único proceso físico un tipo de energía dada en una energía eléctrica. El más significativo es el sistema fotovoltaico, que genera energía eléctrica mediante procedimientos fotovoltaicos. Este sistema convierte directamente la luz solar en corriente eléctrica continua. Por sus dimensiones y capacidad se utilizan en aplicaciones aisladas y como apoyo a grandes centrales generadoras. Para su uso y conexión en nace necesara cl redes ue utilización de inversores capaces de convertir la C.C. generada en C.A. de frecuencia y A

tensión igual a la de la red donde se conecta.

Fuente:

Boletín Oficial Red Eléctrica de España, marzo 2012, N°63. Figura 2.4. Placas solares fotovoltaicas.

-

21

ci Los medios mecánicos son los que aprovechan cualquier tipo de

energía, principalmente térmica, hidráulica y eólica, para producir un movimiento circular que es aplicado a su vez a un alternador que genera una corriente eléctrica alterna. Son los más utilizados para la generación de grandes cantidades de energía eléctrica que posteriormente es transportada a grandes núcleos industriales y de población. Los medios químicos aprovechan las propiedades de ciertas

reacciones químicas de algunos elementos como el níquel y cadmio para generar corrientes de tipo continuo. Los elementos más característicos de estos sistemas son las pilas y baterías. El uso de las pilas es muy limitado por su baja capacidad de generación, restringiendo su uso a pequeños aparatos eléctricos móviles. Las baterías desempeñan un papel igualmente importante y se usan principalmente en sistemas de almacenamiento de energía eléctrica que se puede consumir en cualquier momento.

Figura 2.5. Aerogen era dores.

Sistemas renovables y no renovables En la producción de energía eléctrica hay que distinguir entre sistemas renovables y no renovables. Sistemas renovables Generan energía eléctrica a

partir de una fuente de

Figura 2.6. Grupo de baterías.

4 Transporte de la energía eléctrica El transporte es el siguiente eslabón en la cadena. Una vez generada, la corriente es transportada hasta el lugar de consumo. Estos lugares pueden estar a cientos o miles de kilómetros del lugar de generación. El transporte de energía eléctrica se puede realizar de dos maneras en Alfa Tensión AT (HV) o Muy Alta Tensión MAT (VHV). La diferencia de utilizar un sistema u otro dependerá de la distancia existente entre el punto de generación y el de utilización, así como de la potencia eléctrica transportada. Para más potencia y mayores distancias se utiliza la MAT, mientras que para distancias más pequeñas y menos potencia se utiliza IaAT. Existen multitud de condicionantes a la hora de diseñar y construir una línea de transporte eléctrico como por ejemplo el tipo de línea a emplear. En este sentido podemos disponer de tres tipos de líneas; aéreas, subterráneas y submarinas. Cada una de ellas lleva implícita una serie de características técnicas que las hacen

energía natural inagotable como la energía solar, eólica, hidráulica, biomasa y geotérmica. Son energías respetuosas con el medio ambiente y no generan residuos. Sistemas no renovables Utilizan fuentes de energía que se encuentran en la naturaleza y que una vez consumidas no se pueden volver a utilizar. Ejemplos de estos recursos son el petróleo, el carbón, el gas y ciertos minerales como el uranio. Este sistema genera residuos y deteriora el medio ambiente.

diferentes.

......__

íJ® Por último, tenemos que destacar el tipo de corriente en la que la energía eléctrica es transportada. En este sentido solo existen dos formas, transmisión en Corriente Alterna C.A. (AC) oen Corriente Continua C. C. (DC). Como se ha dicho en puntos anteriores, tradicionalmente la energía eléctrica se ha transportado en C.A. siendo este tipo de transporte el mayoritario. No obstante el transporte mediante C.C. se ha utilizado para aplicaciones concretas

íti 100

Generador

en la actualidad un aumento importante gracias al

El transporte de energía eléctrica en CA difiere del transporte en CC no solo en el tipo de corriente,

®

-

Generador

sino a demás en los elementos eléctricos y electrónicos que estos sistemas necesitan.

Transformador Reductor

Usuanos

LIH-HZL1 Rectificador

Red ce Transporte

IDo

Onclador

Usuarios

Figura 2.8. Transporte eléctrico en corriente continua.

Para transportar energía eléctrica en CA, es necesario elevar la tensión de la red eléctrica generada a valores altos o muy altos de manera que para una misma potencia eléctrica la corriente se reduzca, reduciendo así las pérdidas de potencia que se producen en el cable. Cuando la corriente transportada llega a su destino, es necesario volver a reducir esta tensión para poder tratarla adecuadamente, ya sea para volver a transportarla o para entregarla al abonado final. Para ello se utilizan transformadores, que son junto con los cables los elementos más importantes en el transporte eléctrico en CA. Estos transformadores son de gran potencia y su misión es la de elevar (transformadores elevadores) o reducir la tensión (transformadores reductores). En el transporte de energía eléctrica en CC, el principal elemento junto con los cables ese¡ convertidor electrónico de potencia. Como generalmente la generación de corriente se hace en CA, para poder transportar la energía eléctrica en CC es necesario un paso de conversión

Red de Transporte

Figura 2.7. Transporte eléctrico en corriente alterna.

desde la década de los años 50, experimentando avance sobre todo de los dispositivos electrónicos de potencia.

Transformador Elevador

y pasar la CA a CC La conversión de CA en CC la

Pérdida de potencia Desde la aparición del transformador, el transporte eléctrico se realiza en CA ya que las pérdidas en una línea de transporte se reducen aumentando la tensión en la línea, lo cual se consigue con transformadores elevadores que solo pueden funcionar en CA. La perdida de potencia activa en una línea eléctrica viene expresada por:

realiza el rectificador. En el otro extremo de la línea, la utilización de la energía 2

eléctrica por parte del abonado se hace en CA por lo que se hace necesario una nueva conversión, esta vez hay que transformar la CC en CAeI elemento encargado

p

R,

,j2

= R,

.

de realizarlo es el inversor.

Donde:

5 Distribución de la energía eléctrica

P: PotenciaActiva de línea R: Resistencia de la línea 1: Intensidad de¡ ínea S: Sección del cable V: Tensión de línea

El sistema de distribución es el último eslabón de la cadena

y es el que suministra la

energía eléctrica a los abonados finales. La energía eléctrica proveniente de la subestación generadora y que viaja a través de las líneas de transporte de las redes primarias de distribución llega a las subestaciones de distribución, que a su vez y a través de las redes secundarias de distribución entregan la energía a los centros de transformación de distribución secundarios. De estos centros de transformación parten las lineas de baja tensión que reparten la energía a los centros de consumo.

1

Se deduce que para reducir perdidas de potencia necesitamos aumentar latensión.

1

-

•1

®©@© J@ ©Q(@ci -

G) Central Generadora ,p

En numerosos casos los centros de consumo corresponden a grandes usuarios con altos consumos lo que implica que existan centros de transformación propiedad de los propios usuarios y

Subestación Generadora

que dan servicio de baja tensión cubriendo las necesidades espaciales de estos usuarios.

Redes Primarias de Distribución 5.1. Redes primarias de distribución

Subestación de Distribución

La red primaria de distribución es la encargada de recibir la energía eléctrica de las redes de transporte

Redes Secundarias de Distribución

en sus puntos de interconexión y cederla a través de subestaciones de transformación y distribución a las

Centro de Transformación. Distribución Secundaria

redes secundarias. Se puede decir que está formada por dos bloques, Red de Distribución Primaria y

Redes4e Bad"Tensión

Sube stación de Distribución. Una Red de Distribución Primaria se puede definir

Centros de Consumo

como el conjunto de cables o conductores, sus

Figura 2.9. Sistema de transporte y distribución.

elementos de instalación y sus accesorios, que partiendo de un sistema de generación o de un sistema de transmisión, está destinado a alimentar o

Capacidad de transporte de la energía

interconectar una o más subestaciones de distribución; abarca los terminales de salida desde el sistema alimentador hasta los de entrada a la subestación alimentada. La red eléctrica de transporte española cuenta con una línea de alta tensión en corriente continua. Dicha línea interconecta la Península y Baleares mediante un sistema bipolar de corriente continua.

Datos del enlace

La capacidad del transporte de energía eléctrica en CA disminuye con la longitud debido a los efectos inductivos de la línea. A este hecho hay que sumarle el desfase entre los extremos de la línea provocado por el mismo efecto y que aumenta la inestabilidad de la línea.

Tipo de corriente: Continua Este problema no aparece en los sistemas de transporte en CC al no aparecer el efecto inductivo.

Tensión nominal: ±250kv Potencia: 400MW Cables de energía: Dos conductores polares y uno de retorno. Comunicaciones: Cable de 24F0. Longitud total:

Así, para una determinada potencia y distancia de la línea se hace más económico el transporte eléctrico en CC que en CA.

244Km

Profundidad máxima: 1485m

Península

Baleares

400kV, 50Hz

220kV, 50Hz

Figura 2.11. Relación potencia/longitud lineas

CA/CC. Figura 2.10. Enlace CC Península-Baleares. -

2,9113%M21 La

sería el conjunto de instalaciones para transformación y seccionamiento de la energía eléctrica que se recibe de una red de distribución primaria en AT y se entrega a un subsistema de distribución secundaria en ATo MT. Subestación de Distribución

Generalmente son instalaciones al aire por su gran tamaño y por las elevadas tensiones que se manejan. La subestación de distribución requiere de una infraestructura capaz de alojar varios transformadores de potencia, equipos de medida como transformadores de intensidad, maniobra (seccionadores o interruptores), protección (fusibles) y control como los sistemas motorizados para la apertura y cierre de circuitos. Igualmente la subestación incluirá todo el entramado de postes y embarrados para la sujeción de los cables que conforman las redes de ATyMT.

ds

©Ú©

Transformadores

de potencia Los transformadores de potencia o distribución como también se les conoce, se distinguen principalmente

por su potencia asignada (nominal). La potencia de estos transformadores se designa mediante la potencia aparente (S) cuya unidad es el VoltioAmperio (VA). Dada la gran potencia de los transformadores, la unidad utilizada es el Kilo VoltioAmperio, que se expresa como kVA, término que se suele leer como "Kavea'.

.,

p

Existen unas potencias preferentes para estos transformadores que corresponden con las potencias que las compañías proveedoras exigen para sus instalaciones. 50, 100, 250, 400 kVa, son ejemplos de ellas.

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-I

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Figura 2.12. Subest ación de distribución.

5.2. Redes secundarias de distribución Las redes secundarias de distribución son el penúltimo paso para el suministro final de energía eléctrica. Como se puede observar en el esquema de la figura 2.9. la red secundaria comienza en el transformador de ATIMT, de la subestación de distribución, más concretamente en el secundario del

El sistema eléctrico ibérico y peninsular está dividido en 36 sectores.

Estos sectores se pueden visualizar en la página de Red Eléctrica de España (httQ:Ilwww.ree.es) como mapas a escala 1:1 .000.000

transformador, o lado de MT. A partir de aquí la red de distribución se implementa y llega a los centros de transformación donde la energía eléctrica se adapta para el último paso en su camino hacia los abonados finales. Podemos decir que el centro de transformación es el punto más importante de la red secundaria de distribución desde donde parten las líneas de reparto en BT, y el lugar donde se instala el sistema de transformación y seccionamiento junto con toda la aparamenta eléctrica de protección, maniobra y medida, siendo las celdas y los transformadores de potencia los dispositivos más importantes.

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00 Figura 2.13. Red eléctrica de España.

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MAUMZ1 ®Ü©M©©d@ P @~(pn (l b s Existen diferentes tipos de centros de transformación pero todos ellos albergan una serie de elementos comunes a todos ellos:

BT

ATIMT

Red Secundaria

Uno ovarios transformadores de potencia.

Red de Baja Tensión

de Distribución

Dispositivos de aparamenta.

Transformador de Potencia

Celdas de distribución. Módulos de distribución en BT.

Figura 2.14. Transformador de potencia.

Transformador de potencia Los transformadores de potencia en los centros de transformación tienen la misión Aparamenta

de disminuir la tensión de la red de alta o media tensión a unos valores más manejables y que cumplen con la norma para las redes de distribución en baja tensión. Por tanto, son transformadores reductores yen un centro de transformación podemos encontrar uno o varios de ellos dependiendo de las características del propio centro. En el lado de alta o primario se conecta la red secundaria de distribución mientras que en el lado de baja o secundario se conecta la red de distribución secundaria, Para

la conexión es necesario

disponer de una serie de elementos de

Aparamenta es una palabra que no existe en el diccionario de la Real Academia de la Lengua Española, pero es una palabra usada frecuentemente en sistemas electrotécnicos.

conexión/desconexión así como protección tanto en el lado de alta como en el de

Potencia en KVA.

En la ITC-BT-01 del REBT (Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión), se define como: "Equipo, aparato o material previsto para ser conectado a un circuito electrico con el fin de asegurar una o varias de las siguientes funciones: protección,

Tensiones de alimentación en el lado deATo MT.

control,

Tensiones de secundario en BT.

conexión".

baja. En

sistemas

de

distribución

existen

diferentes

tipos

de

transformadores

dependiendo del tipo de refrigeración, seco o sumergido, de la potencia y tensiones de trabajo y del tipo de emplazamiento intemperie o interior. No obstante, las características mas importantes a la hora de la elección del transformador son sus características eléctricas.

seccionamiento,

Frecuencia de red. Grupos de conexión. Dispositivos de aparamenta Los dispositivos de aparamenta eléctrica son dispositivos destinados a la maniobra, protección, control y medida en sistemas eléctricos. En un centro de transformación

existen dispositivos destinados a la conexión/desconexión de circuitos de forma segura, como seccionadores, interruptores, etc., dispositivos de protección como los fusibles o relés de protección, y dispositivos destinados a las medidas de las

magnitudes eléctricas, tensión, corriente, potencia, etc. En el conjunto de estos dispositivos o aparamenta, hay que distinguir entre los mecanismos para su uso en el lado de alta y media tensión y los que están destinados para su uso en baja tensión. Celdas de distribución Son elementos destinados a dividir un centro de transformación en varias secciones de manera que el acceso a las lineas de alta tensión y a las de baja se pueda hacer de manera controlada, seccionada e independiente. Suelen ser bloques compactos que albergan la aparamenta necesaria para el funcionamiento del centro de transformación.

4- .

1

Figura 2.15. Celdas de distribución (ABB).

Js Podemos encontrar cuatro tipos de celdas en función de su utilización:

Celdas de distribución

Celdas de línea. Permiten la entrada y salida de las líneas deATy BT. Celdas de protección. En su interior se encuentran los dispositivos de protección de las líneas yde los transformadores. ¼. Celdas de medida. Incluyen los dispositivos de medida, incluidos los transformadores de intensidad ytensión para las medidas enAT. OCeldasderemonte. Permiten separar la zona de abono de la compañía. Agrandes rasgos, la linea de entrada procedente de la red primaria de distribución entra directamente a la celda de entrada recepcionando la línea de alta tensión. Asu vez, la celda de entrada está acoplada e interconectada a las celdas de salida que permiten la conexión y el seccionamiento de la línea de forma controlada hacia el transformador o transformadores de distribución, existiendo una celda de salida por cada transformador o por cada linea de salida hacia la red secundaria. Este dispositivo suele ser compacto y modular siendo las características principales: Forma constructiva. Diseño modular.

Celda de Entrada

Las celdas de distribución tienen la misión de abrir o cerrar circuitos eléctricos de alta o media tension que generalmente están en carga. Para ello se utilizan sistemas capaces de extinguir los arcos eléctricos que se producen en su interior al conmutar los circuitos. De igual modo, las celdas de distribución proporcionan a los operarios una forma segura de manipulación en el sistema eléctrico.

celdas de Salida

Tipo de conexión. Enchufable o atornillado. O Nivel de aislamiento eléctrico (KV). O Corriente de servicio continuo. O Corriente admisible de corta duración. Módulos de distribución en BT —

Están destinados a recibir las líneas de BT procedentes del transformador para ser distribuidas en circuitos individuales. Suelen ser cuadros modulares que incluyen fusibles e interruptores para la conexión y protección de los circuitos de salida hacía los usuarios finales, en el caso de la distribución para varios abonados, o a las diferentes cargas en caso de un solo usuario.

HIE

De Transformador de AT/MT

—liC

—Hl(

Hacia Transformador Hacia Transformador de de MT/BT MT/BT

Los dispositivos de maniobra y protección en AT pueden ser de dos tipos, manuales o automáticos.

Los dispositivos manuales necesitan la acción directa del

Figura 2.16. Esquema de celdas.

Circuitos de BT procedentes del Transformador

operario a través de sistemas aislados. Normalmente basan su funcionamiento en sistemas de cuchillas accionadas mediante pértigas aisladas. Los dispositivos automáticos no necesitan la acción directa del operario realizando su función por medio de sistemas motorizados o resortes, de manera que la actuación sobre el sistema se realiza de forma automática en caso de fallo o controlada remotamente desde una sala de control.

1 11 111 Circuitos de salida en ST

Figura 2.17. Distribución en BT

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6 Dispositivos de maniobra y protección en sistemas eléctricos de potencia En los sistemas eléctricos de potencia, ya sean en los sistemas de generación, transporte o distribución, es necesario el uso de dispositivos de protección y maniobra. La diferencia entre ellos radica en el fin al que están destinados. Así, los dispositivos de maniobra se encargan de conectar y desconectar circuitos, redes eléctricas y dispositivos de conversión de energía. Los dispositivos de protección se emplean para proteger los propios sistemas eléctricos y a las personas que los mantienen y utilizan. La finalidad última de ambos tipos de dispositivos es la de abrir y cerrar circuitos eléctricos. Para ello es necesario que dispongan de una serie de características comunes que se pueden dividir entre características eléctricas y características físicas.

Seccionador de palanca

En la imagen se puede ver un ejemplo de un seccionador accionado mediante palanca.

Las características eléctricas más relevantes de los dispositivos de maniobra y protección son: Tensión nominal del circuito. Viene dada por la tensión nominal del circuito que se está controlando. Corriente permanente máxima. Es la corriente máxima nominal del circuito a controlar, Poder de corte. Viene dado por las corrientes que se producen con el arco eléctrico al desconectar un circuito. Estas corrientes suelen ser muy superiores a las nominales. Poder de cierre. Es igual que el poder de corte salvo que esta vez se refiere a la corriente que puede aparecerá¡ conectar un circuito encarga. Las características físicas las podemos resumir en las siguientes: Número de maniobras en un tiempo determinado. Accionamiento local o a distancia. Accionamiento manual o automático. Accionamiento por relés. Aislamiento visible.

Figura 2.18. Seccionador de palanca. En este caso el operario puede abrir o cerrar la línea eléctrica de forma directa actuando sobre los contactos por medio del sistema de pértiga aislada que hace de palanca para mover las cuchillas. En estos casos la seguridad tiene que ser elevada ya que si la apertura o cierre se produce con la línea en carga, se producirán arcos eléctricos importantes.

6.1. Tipos de maniobra y protección Los dispositivos de maniobra y protección, como se ha dicho anteriormente, son usados para la conexión y desconexión de redes eléctricas de cualquier tipo, y de dispositivos de transformación de energía eléctrica, transformadores, baterías de condensadores, inversores, motores, etc. Básicamente existen tres tipos principales de dispositivos de corte, interruptor automático, interruptor en carga y seccionador. No obstante de estos tres dispositivos se pueden derivar otros tantos con significativas diferencias entre ellos pero que guardan una cierta similitud en su funcionamiento. Los sistemas de aparamenta eléctrica de potencia más usados son: Seccionador. Seccionador bajo carga. Interruptor. Interruptor Seccionador. Interruptor automático. Fusible. Seccionador fusible. Interruptor con fusible. Relé diferencial.

Figura 2.19a. Simbologia del Seccionador.

©u©© 6.2. Seccionador El seccionador es un dispositivo de corte, generalmente manual, y con los contactos visibles. Se utiliza como elemento de seguridad y puede instalarse individualmente o como respaldo al interruptor. Su aplicación principal es la de proteger, su funcionamiento manual y sus contactos visibles, nos aseguran la desconexión de un circuito. El seccionador puede conectar o desconectar circuitos que estén en carga o no. Dependiendo de esto último tendremos dos tipos de seccionadores. A) Seccionador sin carga. Figura 2.19b. Seccionador (ABB).

B) Seccionador con carga.

La diferencia entre uno y otro es la protección que tienen los contactos para poder absorber los arcos eléctricos en el caso del seccionador bajo carga. Un seccionador tiene básicamente dos funciones, una la de aislar cargas eléctricas como transformadores, circuitos eléctricos líneas, etc., y otra la de poner a tierra lineas aéreas y cables aislados sin carga. 6.3. Interruptor Es un dispositivo de maniobra destinado al cierre y apertura de circuitos con carga. Su accionamiento puede ser manual o automático pero a diferencia del seccionador, sus contactos no son visibles y están protegidos contra el arco eléctrico.

Dispositivos motorizados En sistemas de AT los dispositivos de apertura y cierre de circuitos suelen ser dispositivos motorizados. Es decir, dispositivos que se mueven por la acción de un motor eléctrico activado mediante un circuito de control de BT.

1 El

1"

I --.

Ji Figura 2.20. Interruptor (ABB) y símbología.

Podemos encontrar diferentes tipos de interruptores dependiendo de su ubicación, instalación, corriente de corte o tipo de accionamiento.

motorizado (ABB).

6.4. Interruptor seccionador Dispositivo que cumple con las características de los interruptores, cerrando y abriendo circuitos en carga con sus contactos no visibles, y de los seccionadores, ya que disponen de un tipo especial de señalización acoplada al brazo disyuntor que permite visualizar si el contacto está o no cerrado.

Figura 2.22. Seccionador

Kl Figura 2.21. Interruptor-seccionador (ABB) y símbolo gía.

Disponen de un motor y un sistema de engranajes y palancas que mueven a los elementos en tensión de tal manera que abren o cierran los circuitos. Permiten la conexión y desconexión de secciones de AT a distancia sin necesidad de que el operario esté cerca de los contactos o tenga contacto directo con el sistema.

ds

-

37

6.5. Interruptor automático

Arco eléctrico

El interruptor automático, a diferencia del interruptor, es un elemento de protección que protege la instalación ante aumentos de corriente no permitidos (sobrecorrientes)y cortocircuitos, y además lo hace deforma automática.

H

Un arco eléctrico es una descarga eléctrica producida por la ionización de un medio gaseoso, como puede ser el aire; entre dos superficies o elementos a diferente potencial eléctrico.

Figura 2.23. Interruptor automático (ABB) y simbologia.

Internamente, su circuito magnético es capaz de detectar los cortocircuitos activando el relé que a su vez abre los contactos principales del interruptor. Por otro lado, la placa bimetálica controla que la corriente que circula por el circuito no sea superiora la máxima permitida. Se puede decir que el interruptor automático es el elemento principal en una instalación de distribución en baja y media tensión. Su funcionamiento automático y la posibilidad de control remoto que muchos de ellos poseen hacen de este dispositivo un elemento indispensable en los circuitos de control y protección. 6.6. Fusible El fusible es un elemento de protección destinado a proteger la instalación de

Figura 2.24. Arco eléctrico. Podemos decir que el arco eléctrico es un movimiento de cargas eléctricas que liberan gran cantidad de energía y partículas peligrosas: -Energía térmica. -Onda de presión. -Gases tóxicos. -Metralla. -Radiaciones electromagnéticas.

corrientes elevadas no permitidas porel circuito y por corrientes de cortocircuito. El fusible está compuesto de un hilo conductor (cobre, plata) destinado a fundirse cuando las condiciones de corriente así lo requieran. Éste a su vez, está envuelto por un material aislante (porcelana, vidrio) que contiene una sustancia que protege y extingue la llama que se provoca en la fusión del hilo conductor.

El arco es un fenómeno que depende del medio físico donde se produce, la intensidad de corriente o la forma y materiales de la instalación eléctrica.

Existen infinidad de tipos de fusibles pero todos se distinguen por sus características eléctricas y mecánicas, siendo las más importantes: la corriente nominal de no fusión o calibre, la corriente nominal de fusión, y el tiempo de fusión. Los fusibles se identifican por un par de letras, que indican el tipo de fusible y la clase de servicio que éste tiene. La primera letra se refiere a la categoría: Categoría g: Fusible de uso general, usado para la protección contra corrientes no admisibles cortocircuitos. Categoría a: Fusible de acompañamiento. Son usados para proteger de cortocircuitos pero tienen que ir acompañados de protección para sobreintensidades.

r1

La segunda letra nos dice la clase de servicio: L: Cables y conductores eléctricos. M: Aparatos de maniobra. R: Semiconductores. Tr: Transformadores.

Figura 2.25. Fusible (ABB) y simbología.

1TÜ

@Ü©u©© ds P @2(8n@ ~'81

67. Seccionador con fusible Fallos eléctricos Es un elemento constituido por un seccionador al que se le han acoplado unos fusibles entre sus contactos. Pueden funcionar bajo carga y tiene protección ante arcos eléctricos. La conexión y desconexión se hace deforma manual.

1

Tipos de fallos en sistemas eléctricos: Cortocircuito

1

Figura 2.26. Seccionador con fusible (ABB) y símbolo

6.8. Interruptor con fusible Es similar al anterior pero esta vez el elemento de corte lo proporciona un interruptor. Los contactos son no visibles y llevan incorporados los fusibles. Así, la conexión y desconexión de circuitos se puede hacer de forma manual y con un componente de protección añadido.

s

Figura 227. 2.27. Interruptor con fusible (ABB) y símbolo

6.9. Relé diferencial La protección diferencial consiste en detectar corrientes de fuga a tierra entre dos puntos de una red o instalación eléctrica. Para ello se realiza la comparación de las corrientes que entran y salen del equipo. En sistemas de potencia los relés diferenciales su utilizan para la protección de máquinas síncronas o asíncronas, líneas de transporte y distribución de corta distancia y transformadores de potencia. No obstante, su uso más común es en

Contacto directo entre dos terminales o cables de distinta fase que produce una elevada corriente perjudicial para los dispositivos de transporte y los elementos de la instalación. Sobrecarga Es una corriente superior al valor nominal del sistema que si se mantiene en el tiempo provocaría daños en los sistemas de transporte. Sobretensión Es una subida de la tensión del sistema que se puede dar de forma permanente, ej. cuando hay fallos en los sistemas monofásicos, o transitoria cuando se conectan grandes cargas. Son perjudiciales tanto para los dispositivos conectados como para el sistema de transporte. Derivaciones a tierra Se produce cuando un conductor en servicio y aislado respecto a tierra queda conectado a esta a través de otro conductor o dispositivo por avería o falta de aislamiento.

instalaciones de BT como elemento de protección de circuitos y dispositivos de baja potencia, así como de sus usuarios. Para los sistemas de media y gran potencia el relé diferencial necesita de transformadores de intensidad que permitan transformar grandes corrientes en corrientes más pequeñas que puedan ser tratadas por el dispositivo de control del relé. Para relés diferenciales de baja potencia la medida de la corriente se realiza mediante transformadores toroidales. Sea para media o alta potencia, el relé diferencial necesita medir continuamente la corriente que circula por la línea o líneas ya sea por medio de transformadores de corriente o por medio de un toroide.

Figura 2.28. Relé diferencial.

©©ds -

0

iff

Protección diferencial de linea

Mnr Helé

Relé

Protección diferencial de carga en MT

Protección diferencial de carga en BT

Figura 2.29. Protección diferencial.

En el momento que existe una diferencia de corriente entre la que entra y sale del sistema, es decir, cuando se produce una fuga de corriente a tierra, el sistema diferencial del relé lo detecta y actúa sobre los contactos abriendo el circuito o línea. Las características más importantes de los relés diferenciales son la tensión, corriente nominal y la corriente de corte en derivación o sensibilidad. Dependiendo de la carga que vayamos a proteger, estos valores serán más o menos grandes.

Simbologfa en instalaciones de

distribución industrial

o

Acometida

•.

n

-

Kwh Medida Energía Eléctrica

1

-

e. .1

GD Centro de Transformación

a

Figura 2.30. Relé diferencial, transformador de intensidad, transformador toroidal, interruptor diferencial. Cortersia de ABB.

Instalaciones industriales de distribución

Grupo Electrógeno

-

r

Batería de Condensadores

Las instalaciones industriales de distribución pertenecen al grupo de grandes consumidores, usuarios que consumen una gran cantidad de energía eléctrica para fines industriales. Este tipo de instalaciones, como cualquier sistema de distribución, proporcionan alimentación eléctrica a un conjunto de industrias o sistemas individuales que requieren elevadas potencias y distintas tensiones de alimentación dentro del rango de BT. Los sistemas industriales de distribución comienzan en la acometida, punto donde finaliza la instalación de la empresa suministradora y comienza la instalación del usuario. A partir de este punto, la instalación de distribución puede seguir un esquema similar al de la figura 2.32. Siguiendo dicho esquema, en una instalación de distribución industrial podemos encontrar los siguientes sistemas: Acometida Como se ha dicho, es el punto de separación entre la instalación de la empresa suministradora y la instalación del usuario. Puede ser aérea o subterránea y tiene que cumplir con la normativa vigente así como con las normas particulares de la compañía eléctrica.

Sistema de Alimentación Ininterrumpida SAI

Figura 2.31. Simbología de distribución.

2

®E?

J®

Acometida en MT

Figura 2.32. Distribución industrial.

Medida de la Energía Eléctrica

Centro de Transformación

y

Batería de Condensadores

nT

Grupo Electrógeno

Distribución en MT

Distribución en BT

Distribución en BT

4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4 4, 4,, 4,4,4 Circuitos de Media Tensión

Circuitos de BT (600 o 1000V)

Sistema de Alimentación Ininterrumpida SAI

Z

Circuitos de BT (400V)

Potencias trifásicas

En sistemas trifásicos de corriente alterna, existen tres tipos de potencias. Potencia Activa P" Es la potencia real de un sistema eléctrico, se transforma en trabajo efectivo a través de cargas resistivas. Se mide en Watios (W).

P= '/i• 'LL COS(p Potencia Reactiva "Q"

Figura 2.33. Acometida aérea. No produce trabajo, pero se utiliza para crear los campos magnéticos en las bobinas y los campos eléctricos en los condensadores, cargas inductivas ycapacitivas. Se mide en Voltio-Amperios Reactivos VAr,

Q=fi

IL VL sencp

Potencia Aparente 'S" Es la suma vectorial de la potencia activa y la reactiva. Se mide en Voltio-Amperios VA.

P Figura 2.34. Triángulo de potencias.

S--'/i I L •V i

@J Ü©©©

Medida de energía eléctrica

Coseno de fi ()

Todo consumo eléctrico supone un coste para el usuario. En la industria este coste viene dado por el consumo en kilowatios hora, referido a la potencia activa y el consumo en Kilo voltio-amperios reactivos, referido a la potencia reactiva. Para ambos términos existen distintos medidores o contadores, aunque un mismo dispositivo puede ser capaz de realizar ambas medidas. Los contadores de energía eléctrica realizan su función midiendo continuamente la tensión y corriente del sistema. En instalaciones industriales las magnitudes de corriente y tensión se realizan en el lado de MT, justo antes del transformador. Es por

En la medida de energía eléctrica hay que tener presente no solo la energía activa (KWh), también hay que tener presente la energía reactiva. Esta no aporta trabajo pero es facturable si no se corrige.

ello que los contadores requieren del uso de transformadores de corriente e mediante magnitudes más pequeñas pero proporcionales a las magnitudes reales.

La relación entre la potencia reactiva y la activa es lo que se denomina Factor de

Centro de transformación

Potencia o cosp.

El centro de transformación puede estar compuesto por uno o dos transformadores

Así, tal y como se puede ver en la figura 2.34, un cosq pequeño supone una elevada potencia reactiva, mientras que un cosp grande, cercano a 1, supone una potencia reactiva pequeña. Por ello es necesario en una instalación industrial aumentar el cosq.

intensidad para realizar las medidas en MT y poder ser tratadas por los contadores

funcionando de forma paralela o de forma redundante. Cuando funcionan conectados paralelamente, los transformadores se conectan suministrando tensión a los circuitos de BT conectados en paralelo. Por otra parte, cuando los transformadores funcionan de forma redundante, uno de ellos es el que se encuentra conectado y funcionando a pleno rendimiento y el otro queda en estado de standby a la espera de ser conectado porfallo del anterior. El transformador en el lado de BTtiene que proporcionar lastensiones requeridas por la industria, 400V para aplicaciones comunes y tensiones comprendidas entre los 600 y los 1000V para aplicaciones especiales en las que se requiere este tipo de tensiones. Grupo electrógeno Son sistemas provistos de un motor de combustión cuyo eje está acoplado al eje de

2

un alternador. Proporcionan energía eléctrica cuando el sistema de suministro falla.

2

La potencia eléctrica del alternador debe coincidir con la potencia mínima requerida para los sistemas críticos que tienen que estar protegidos ante posibles caídas de tensión de alimentación. Los circuitos alimentados por el grupo electrógeno suelen ser circuitos de baja potencia, sistemas de control y maniobra, quedando fuera los

2

circuitos de fuerza que generalmente consumen más energía que lo que el propio grupo puede proporcionar. Batería de condensadores

2 Están constituidas por grupos de condensadores, generalmente conectados entre sí en triángulo, que se conectan en paralelo a los circuitos de potencia de forma individual en cada una de las cargas inductivas o de forma global para todo el conjunto de la instalación. Su función es la de reducir la potencia reactiva que la -

instalación está consumiendo en un momento dado debida a las cargas inductivas procedentes principalmente de los motores eléctricos.

2

Generalmente los sistemas de corrección del factor de potencia o batería de condensadores, se conectan automáticamente inyectando al sistema la potencia reactiva capacitiva justa y necesaria para equilibrar el factor de potencia a un nivel

2 2

2 2

aceptable. Este nivel puede estar comprendido entre 0,95 y 1 aunque este ultimo valores difícil de conseguir en instalaciones industriales.

En una industria, esta energía reactiva es producida principalmente por las máquinas eléctricas que presentan altas inductancias, como los motores eléctricos, Para reducirla se utilizan baterías de condensadores que contrarrestan a las cargas inductivas.

®E:_ ©T©©

ds p©Q®© Factor de potencia

Un factor de potencia pequeño es síntoma de tener un sistema con una elevada carga inductiva que consume energía reactiva. Las cargas inductivas que más energía reactiva consumen son: Batería de Condensadores

Qrc Figura 2.35. Batería de condensadores

Para el cálculo de una batería de condensadores es necesario conocer la potencia activa P, el cosp o factor de potencia que la instalación presenta y el cosp que se quiere conseguir. Para ello hacemos uso de la trigonometría y a partir del triángulo

- Motores de gran potencia o sobredimensionados. - Motores en vacío o poca carga mecánica. - Reactancias para luminarias. - Elementos de maniobra como contactores y relés.

de potencias determinamos el valor de la capacidad de los condensadores en sistemas trifásicos.

tan(p 1 =

Q2 Ql -Qc tan(P2= —1-- = P

Ql

Q=P tarnp 1

Q2= Q

+ P tan(p.

P tan(p = Q, + P tarnp, Q.

= P tan(p - Pi tarnp,= P (tan(p- tan(p 2 ) Q C = P (tarnp,- tan(P2)

Tener un bajo factor de potencia en una instalación o sistema eléctrico implica una serie de inconvenientes: - Sobrecarga innecesaria de las líneas. -Aumento de sección de los cables. - Consumo elevado de potencia, y por tanto de energía. - Aumento del coste de la energía consumida.

Donde táncp: Tangente ángulo inicial tánp2 : Tangente ángulo final P,: Potencia activa Q: Potencia reactiva inicial Q2 : Potencia reactiva final Q: Potencia reactiva de los condensadores

Pi

Pi Figura 2.36. Cálculo de baterías de condensadores.

Pi

ds

(pu-

Una vez que sabemos la potencia reactiva que tienen que proporcionar los condensadores hay que calcular el valor de la capacidad de estos, sabiendo que al estar conectados en triángulo la tensión corresponde a la tensión de línea.

C(

=

1 2fX

y

y

1

y

xU = — =

Q,

2fV2

Q. Sistema de alimentación ininterrumpida Los sistemas de alimentación ininterrumpida también conocidos como SAI o UPS

-'

(Uninterruptible power supply) son sistemas destinados a la alimentación de energía eléctrica de forma ininterrumpida en caso de fallo de alimentación, ya sea por defecto o por exceso. Alimentan circuitos críticos de poca potencia dentro de una industria ya que su funcionamiento depende de la energía que puedan entregar las baterías de las que dispone. Los sistemas SAI, ante un fallo de la alimentación general, proporcionan energía eléctrica de CA durante un tiempo limitado, que depende de la capacidad de las baterías, de tal manera que los sistemas alimentados por este circuito especial pueden disponer de energía aún fallando el grupo electrógeno. Se puede decir que es un sistema de seguridad para proteger sistemas críticos dentro de la industria. Suelen estar identificados y diferenciados del resto de tal manera que podemos elegir que sistemas, informáticos principalmente queremos que estén protegidos.

Un condensador es un dispositivo electrónico que almacena energía en forma de campo eléctrico. Está compuesto por dos láminas metálicas llamadas armaduras, separadas entre sí por un dieléctrico aislante. La capacidad del condensador C viene determinada por la relación entre la carga Q (culombio), acumulada en una de sus armaduras, y la diferencia de potencial entre ellas.

La unidad de capacidad es el faradio F, siendo: 1c

Distribución en baja tensión La distribución en BT dentro de una industria se puede dividir en función de las aplicaciones y de las tensiones a utilizar. En relación a esta última característica es necesario recordar que la tensión máxima considerada como BT es de 1000V. No obstante en la industria se pueden encontrar cargas que requieran de tensiones superiores a los 400V como por ejemplo 600 o 1000V, ya sea por necesidad o por distribución dentro del complejo industrial. En relación al tipo de aplicación podemos distribuir la energía eléctrica en circuitos destinados a diferentes sistemas, iluminación, circuitos de mando, fuerza de planta, fuerza interior, sistemas de A/A, cargas especiales, etc.

8 Sistema de puesta a tierra El tipo de puesta a tierra en los sistemas eléctricos de potencia tiene una gran importancia ya que de ellos dependerá la naturaleza y el tipo de protección de las instalaciones eléctricas en redes de BT. Para entender mejor el sistema de puesta a tierra es necesario distinguir los dos tipos de puesta a tierra que existen. Puesta a tierra de servicio Es la malla de tierra donde se conecta el punto neutro de un transformador de potencia o de una máquina eléctrica. La resistencia de la malla de servicio depende exclusivamente del valor de corriente de derivación monofásica que se desea tener enelsistema.

-

IF

lv

El faradio ha sido una unidad grande utilizándose los submúltiplos como microfaradios pF (10 6 F), nanofaradios nF (10 9F) o picofaradios pF (1 0' 2 F). No obstante la aparición de nuevas tecnologías ha permitido la aparición de condensadores de cientos de Faradios.

@U_

cM©©ds

Puesta a tierra de protección Es la malla de tierra donde se conectan todas las partes metálicas (masa) de los equipos que conforman un sistema eléctrico y que normalmente no están energizados, pero que en caso de derivación pueden quedar sometidos a la tensión del sistema.

Resistencia de puesta a tierra

8.1 . Objetivos del sistema de ¡apuesta atierra

La resistencia de la puesta a tierra R tendrá un valor que dependerá de la tensión máxima de contacto V ' de

La idea de poner los sistemas eléctricos de potencia a tierra está basada

derivación I permitidas para

principalmente en la necesidad de la protección de los equipos y de las personas. Un

cada instalación.

buen sistema de puesta a tierra tiene que ser capaz de cumplir una serie de requisitos y objetivos.

Rt-

la corriente máxima de

vc 'U

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. c. Establecer la permanencia de un potencial de referencia al estabilizar la tensión eléctrica a tierra bajo condiciones normales de operación. C Mejorarla calidad del servicio. Dispersar las cargas estáticas a tierra. Descargas atmosféricas y limite de las sobretensiones generadas. 8.2. íorna a tierra y cabie de neutro

Por otro lado, la resistencia de la puesta a tierra dependerá de la resistividad del terreno y de las características físicas del electrodo utilizado. Dependiendo de este último tendremos tres sistemas de puesta a tierra. Bucle en fondo de cimentaciones.

Los sistemas de tierra encierran una gran controversia y generan una gran confusión incluso entre los propios profesionales, es por ello que se hace necesario un estudio detallado del sistema y una idea clara de los conceptos.

Rt

2

Piquetas:

En el reglamento electrotécnico de baja tensión REBT más concretamente en la instrucción complementaria 1 (ITC-13T-01), se definen claramente algunos conceptos clave para entender los sistemas de puesta a tierra. Incluimos literalmente las definiciones de Conductor de protección CP o PE. Conductor

Rt=

Placas:

requerido en ciertas medidas de protección contra choques eléctricos y que conecta

0,8

alguna de las siguientes partes: Masas. Elementos conductores. Borne principal de tierra. Toma de tierra. Punto de la fuente de alimentación unida a tierra o a un neutro artificial. Conductor neutro Conductor conectado al punto de una red y capaz de contribuir al transporte de energía eléctrica. Conductor CPN o PEN Conductor puesto a tierra que asegura, al mismo tiempo, las funciones de conductor de protección y de conductor neutro. Conductores activos Se consideran como conductores activos en toda instalación los destinados normalmente a la transmisión de la energía eléctrica.

nL

Rt

P: Resistívídád del terreno (QIm)

Lb : Longitud del bucle (m) L: Longitud de la piqueta (m) n: Número de piquetas P: Perímetro de la placa (m) R: Resistencia de tierra (Q)

-

©©© J®

©@i©

Esta consideración se aplica a los conductores de fase y al conductor neutro en corriente alterna y a los conductores polares y al compensador en corriente continua.

Todas las compañías que suministran servicios de energía eléctrica crean y mantienen unas Normas Técnicas Particulares propias de cada empresa, basadas en la normativa legal vigente como los reglamentos e instrucciones técnicas Y en normas ' estándares nacionales e internacionales como las normas UNE, ¡SO, etc.

Masa Conjunto de las partes metálicas de un aparato que, en condiciones normales, están aisladas de las partes activas. Las masas comprenden normalmente: Las partes metálicas accesibles de los materiales y de los equipos eléctricos, separadas de las partes activas solamente por un aislamiento funcional. Se exceptúan los de Clase II, las armaduras metálicas de los cables y las conducciones metálicas de agua, gas, etc. Conexión eléctrica o en contacto con las superficies exteriores de

materiales Estas normas se revisan continuamente en función de las necesidades técnicas de las empresas y de los sistemas utilizados

eléctricos, que estén separadas de las partes activas por aislamientos funcionales, lleven o no estas superficies exteriores algún elemento metálico. Piezas metálicas que forman parte de las canalizaciones eléctricas, los soportes de aparatos eléctricos con aislamiento funcional, y las piezas colocadas en contacto con la envoltura exterior de estos aparatos. Por extensión, también puede ser necesario considerar como masas, todo objeto metálico situado en la proximidad de partes

Cualquier empresa o particular que quiera acceder al servicio tiene que cumplir con dichas normas particulares que afectan tanto a los materiales como a los procedimientos.

activas no aisladas, y que presenta un riesgo apreciable de encontrarse unido eléctricamente con estas partes activas, Dependiendo de cómo se conectan el conductor neutro y el de protección tendremos tres sistemas de distribución:

Sistema TN-S

Sistema TN-C Transformador

Transformador L

L

L

L

L

L PN

N cP

Receptor

Receptor Figura 2.37. Sistema TN.

Sistema TI

Sistema TT Transformador

Transformador L

L

L

L

L

L

N

Figura 2.38. Sistema TT

Figura 2.39. Sistema TI.

d@

@U11

1

©@UÜ©i

2

Conductor de eq ui potencialidad suplementaria

A

A

Elemento conductor

Masa

Conductor de . protección

-

Canalización metálica principal de agua

7

-

ú

onductor de unión equipotencial principal

C ID

-

°

Borne principal de tierra

-

-

Puente seccionador

Dispositivo para medición

D

D

Conductor de tierra

-

-

41 ZO00,

E

E Toma de tierra

F

E

Electricidad

-

2 Sistemas eléctricos de potencia

Electrónica

joma

G

1

2

G

Circuito de puesta a tierra 3

4

1

-

lllq(@Mslt ®Bc©T©© 9 Reglamentación y normativa Como en todos los sectores técnicos, el campo de los sistemas eléctricos de potencia está regulado por medio de unas normas y reglas que en la mayoría de los casos son de obligado cumplimiento. Dentro de la normativa y reglamentación existen diferentes tipos de normas que podemos agrupar en tres bloques. Reglamentos Técnicos Creados por el ministerio de industria y aprobados en el parlamento siendo de obligado cumplimiento. En los reglamentos que nos afectan existen además guías técnicas de aplicación que hacen más fácil la interpretación de las instrucciones que en ellos aparecen. Los reglamentos técnicos aplicados a los sistemas eléctricos de potencia son: Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión y sus ITCs. (REBT), Guía Técnica de Aplicación del REBT. Reglamento de Lineas Eléctricas deAlta Tensión (RLAT). Reglamento Sobre Centrales Eléctricas, Subestaciones y Centros de Trasformación (ROE). Reglamento de Eficiencia Energética en Instalaciones de Alumbrado Exterior (REEIAE). Normas Particulares Son creadas por las compañías de suministro eléctrico y son aplicables dentro de su campo de actuación. Los usuarios tienen que adaptar los dispositivos y sistemas en función de este tipo de normas. Sistemas de Normalización y Estandarización Son normas que tienen como objetivo estandarizar y llegar a normalizar las distintas áreas técnicas. Para cada área o sector técnico existen una serie de normas que en principio no son de obligado cumplimiento pero que están recogidas como obligatorias para cierta normativa como los reglamentos vistos anteriormente. Existen dos tipos de normas bien diferenciadas, las normas nacionales que en el caso de España son las normas UNE y las normas internacionales o normas /SO.

Actividades

-

2.1. Diseñar el esquema eléctrico un ¡fila rde una instalación de distribución industrial con la apara menta y dispositivos necesarios y que cumpla las siguientes características. Acometida en MT a 20KV. Centro de transformación con dos transformadores conectados para funcionamiento redundante, con salida de BT a 600V y 400V Equipo de medida de la energía eléctrica. Cuadro de distribución para cargas de 600V. Circuitos independientes para motor de bombeo, horno eléctrico y motor para ventilación. Cuadro de distribución para cargas de 400V. Circuitos independientes para calefacción, A/Ay circuitos de potencia. Cuadro de distribución para cargas de 230V. Circuitos independientes para alumbrado de planta, alumbrado de oficinas, tomas de uso general, tomas en baños, tomas de fuerza, tomas protegidas con SAI, circuito de automatización y control de oficinas. Dispositivo de alimentación ininterrumpida para circuito de 230V descrito anteriormente. Grupo electrógeno para circuitos de 400 y 230V. Batería de condensadores para salida de 600V para salida de 400V. 2.2. En una instalación industrial trifásica de BT a 400V, tenemos una potencia activa de 25000W, y un f.d.p. de 0,65. Determinar el valor de la potencia reactiva Q. y de la intensidad de línea en estas circunstancias. Posteriormente calcular el valor de los condensadores para conseguir un f.d.p. de 0,95. Determinar nuevamente el valor de la potencia reactiva y la corriente de línea que tendría la instalación con la batería de condensadores calculada. 2.3. Calcular la longitud de una piqueta de tierra en un terreno de caliza blanda cuya resistividad se ha estimado en 1250m, para proteger una instalación cuya tensión máxima de contacto es de 50V y corriente máxima de derivación 300mA.

3 Máquinas eléctricas 1 Introducción

Carga eléctrica

Las máquinas eléctricas son dispositivos que basan su funcionamiento en las leyes del magnetismo y la electricidad. Ambos campos se unen para formar el electromagnetismo, del cual se obtienen los principios básicos de funcionamiento de las máquinas eléctricas, Corriente Eléctrica Campo Magnético

La materia está formada por átomos cuya estructura se puede describir a partir de tres partículas, electrones con carga eléctrica negativa, protones con carga eléctrica positiva y neutrones sin carga eléctrica.

Electromagnetismo

Figura 3.3. Átomo. Figura 3. 1. Electromagnetismo.

La finalidad principal de las maquinas eléctricas es la de transformar energía, ya sea mecánica o eléctrica, en energía eléctrica de características determinadas o de manera inversa, conversión de energía eléctrica en mecánica o eléctrica de características diferentes. Si hablamos de transformación de energía mecánica es necesario disponer de una parte móvil, independientemente del sentido de la transformación, mecánica-eléctrica o eléctrica-mecánica. Sin embargo, en la transformación directa de energía eléctrica no es necesario el movimiento de ninguna de las partes. Esta característica nos permite clasificar a las máquinas eléctricas en dos grandes grupos. Máquinas eléctricas estáticas y máquinas eléctricas rotativas.

Los protones y neutrones se encuentran en el núcleo mientras que los electrones se mantienen alrededor de este formando capas o zonas energéticas. La carga de¡ protón es igual a la del electrón pero de signo contrario ' su valor viene dado por. Q= 1,6x 10 9C

Máquinas eléctricas estáticas En este grupo solo tenemos un dispositivo, el transformador. Esta máquina transforma la energía eléctrica de entrada 1,, en otra de salida 1,,, de características eléctricas diferentes y sin emplear ninguna parte móvil.

Transformador Figura 3.2. Máquina estática. Transformador.

Máquinas eléctricas rotativas En este grupo se incluyen las máquinas con movimiento, y dentro del mismo hay que hacer una segunda clasificación según el sentido de la transformación de energía. Así podemos encontrar motores o generadores.

La unidad de carga eléctrica en el sistema internacional ese[ Culombio C.

49 Motor

Campo eléctrico

Transforma la energía eléctrica en una energía mecánica a través de un eje. Las cargas eléctricas pueden actuar entre sí de manera que una carga con otra dei mismo signo se

MM

repele mientras que dos cargas de signo contrario se atraen. La fuerza con que se repelen o atraen dos cargas electrostáticas viene dada por la Ley de Coulomb y expresada por:

Energía Eléctrica

Energía Mecánica Figura 3.4. Motor.

Generador

K•q•q. Transforma la energía mecánica aplicada a un eje en energía eléctrica. Energía Mecánica

1

F: Fuerza K: constante de proporcionalidad, depende de las características del entorno.l r: distancia entre q, y q 2

Energía Eléctrica

Figura 3.5. Generador

Tanto los motores como los generadores cumplen con el principio de reciprocidad electromagnética y su funcionamiento puede ser reversible funcionando como motor o generador. No obstante, en la práctica cada uno de ellos está diseñado exclusivamente para realizar una de las dos funciones.

2 Electromagnetismo

De esta manera podemos decir que en el espacio que rodea a una carga Q se ejerce una cierta influencia sobre otra carga q más pequeña apareciendo sobre esta una fuerza de interacción debido a que se encuentra en el campo eléctrico generado por Q. Podemos decir que alrededor de una carga Q se establecen unas líneas de fuerza que dependiendo del signo de la carga tendrán sentidos diferentes.

Como se ha dicho anteriormente, las máquinas eléctricas basan su funcionamiento en los principios del electromagnetismo y principalmente en la ley de inducción de Faraday. Es necesario para su estudio conocer las propiedades y magnitudes de los campos magnéticos así como los materiales que los producen y mantienen. 2 1 Campo magnético aeerdo nor un imán Figura 3.7. Campo eléctrico.

El campo magnético es una zona del espacio influenciada por la acción de las líneas de fuerza magnética producidas por un imán, o por un conductor (o bobina) atravesado por una corriente eléctrica. El campo magnético está formado _- por unas líneas de campo denominadas líneas de fuerza del campo magnético. Estas líneas nacen en el polo norte del imán y llegan al polo sur tal y como muestra la figura. Un campo magnético que produce líneas de fuerza magnética es comparable a un campo eléctrico, y su comportamiento viene dado por una serie de magnitudes que pueden ser análogas a ciertas magnitudes eléctricas.

Figura 3.6. Imán.

H

09

Estas magnitudes se definen para un campo magnético producido por un imán y son: Intensidad de campo Por definición, es la densidad de líneas de fuerza del campo magnético por centímetro cuadrado. Su unidad es el oerstedio y se representa por la letra II que equivale a una línea de fuerza porcm 2 . Flujo magnético Es el número de líneas de fuerza que atraviesan una superficie. La unidad del flujo magnético es el oerstedio por centímetro cuadrado, y se denomina maxivelio. Es frecuente utilizar un múltiplo de este denominado weber y que equivale a 108 maxivelios. El flujo viene representado por el símbolo p (fi"). Hay que tener en cuenta la disposición que tiene la superficie atravesada por las lineas de fuerza. Así, si la superficie es perpendicular a las líneas el valor del flujo viene dado por:

=H.s

Si la superficie 5 está inclinada con respecto a las líneas de fuerza, éstas no atraviesan la superficie perpendicularmente, pero sí con un grado de inclinación de tal manera que el flujo se reduce con respecto al caso anterior:

[~I - I - • H

S

ct: Flujo en máxívelíos cosp

H: Intensidad de campo Magnético en oerstedios S: Superficie en cm'

El flujo en un circuito magnético es similar a la intensidad en los circuitos eléctricos, Inducción magnética Es la densidad de líneas de fuerza que se concentran en la perpendicular de un material magnético llamado núcleo y depende de las propiedades magnéticas del material. Su unidad es el Gausio y está representado por la letra griega 3 (Beta").

Concepto de campo El concepto de campo es un recurso físico desarrollado para el análisis matemático y conceptual de determinadas ramas de la física Surge en el siglo XIX como resultado de las investigaciones de Faraday con respecto al electromagnetismo. Posteriormente Maxwell desarrolla una teoría donde da sentido matemático al concepto de campo eléctrico y magnético. Así, el concepto de campo se convierte en el recurso que permite desarrollar de forma matemática el comportamiento de una magnitud física definida en una región del espacio y en función del tiempo En física como en otras ramas de la ciencia es común hablar de campo eléctrico, campo magnético o campo gravitatorio entre otros. Este hecho ha permitido el avance en el estudio de antiguas teorías físicas y en la aparición de nuevas.

: Inducción magnética en Gausios (maxivelios/cm 2 )

=

: Flujo en máxivelíos S: Superficie en cm'

Campo magnético terrestre El núcleo de la tierra está formado principalmente por metales conductores fundidos, magma. Debido a la rotación del planeta, el magma produce remolinos que giran de Oeste a Este y originan una corriente eléctrica. Esta corriente es variable y provoca la aparición del campo magnético terrestre. El campo magnético terrestre se extiende cerca del polo Sur geográfico del planeta hacia el polo Norte geográfico, lo que indica que en términos magnéticos el polo norte geográfico sea el polo sur magnético y viceversa. No obstante, se considera y se acepta en términos geográficos que el polo norte coincide con el polo norte magnético tal y como indica una brújula.

] Ia Figura 3.8. Campo magnético terrestre.

2.2. Campo magnético generado por un conductor Hans Oersted descubrió que una corriente eléctrica que circula i:i

por un conductor crea alrededor de éste un campo magnético idéntico al creado por un imán. Las líneas de fuerza giran alrededor del conductor con una dirección determinada que depende del sentido de la corriente aplicada al conductor. La intensidad de campo H para este tipo de campo magnético es -

idéntica a la comentada anteriormente y equivale al campo magnético creado por un imán. Si la corriente eléctrica atraviesa

- un conductor en forma de bobina o solenoide, esta magnitud cambia su valor debido a la forma que adopta el conductor

Figura 3.9. Solenoide.

eléctrico. Para el campo magnético generado por una corriente eléctrica que atraviesa una

L

hobr

sola espira plana, el valor de la intensidad del campo magnético H queda definida Una bobina es un dispositiyo electrónico que almacena energía eléctrica en forma de campo magnético.

por la siguiente expresión: 2

-

II =

1

-

10 • r

Si la bobina está formada por más de una espira, tenemos:

H-

-

2•

it •

1•

10 - r

i

-

Cuando lo que tenemos es una bobina o solenoide largo la ecuación cambia:

r

H=

Donde:

L

10 • 1

H: Intensidad de campo magnético enoerstedios r: Radio de la espira en cm 1: Intensidad de corriente eléctrica en amperios (A) n: Número de espiras 1: Longitud de la bobina en cm Al producto 1 n se le denomina amperios vuelta

Generalmente se construyen a partir de hilo de cobre de sección y longitud determinada. Pueden estar enrolladas en núcleo de aire o núcleo magnético para aumentar la autoinducción. La unidad que mide la capacidad de una bobina viene dada por la autoinducción o inductancia L, y su unidad es el Henrio. La inductancia para un solenoide de N espiras vendrá dado por:

Ø

N

L= 23. Núcleo magnético Hasta ahora hemos considerado que las líneas de campo magnético se desplazan por el aire, pero normalmente se utiliza un elemento para que éstas se concentren y puedan pasar por una determinada superficie, aumentando por tanto la inducción magnética. A este nuevo elemento se le denomina núcleo y es el equivalente al conductor eléctrico en el caso de los campos eléctricos. El núcleo podrá ser de un determinado material y dependiendo de sus características magnéticas podrá concentrar más o menos lineasdefuerza.

L: inductancia (H) Flujo magnético 1: Intensidad de corriente (A) N: Número de espiras El símbolo más común para la bobina o solenoide es el que se representa en la figura.

A la capacidad que tiene un determinado material de concentrar las lineas de fuerza se le denomina permeabilidad magnética. y cada material tendrá una permeabilidad determinada, existiendo materiales específicos que presentan una permeabilidad elevada y son usados en los circuitos magnéticos. La permeabilidad magnética viene representada por ii ("my").

pppppp Figura 3.10. Bobina.

De esta forma la inducción magnética de una bobina en cuyo interior se encuentra

Michael Faraday

alojado un núcleo con una permeabilidad determinada, queda definida por:

[IB= H

Nació en una familia humilde en Newington, al sur de Londres, el 22 de septiem-

2.4. Circuito magnético y circuito elécrico

brede 1791. Con lo visto anteriormente podemos decir que los circuitos magnéticos están constituidos por un núcleo magnético con una determinada permeabilidad y una

Cursó estudios básicos y a

bobina atravesada por una corriente eléctrica. El circuito magnético es equivalente a

los trece años tras su

un circuito eléctrico tal y como se muestra en la figura.

finalización comenzó a trabajar como recadero de un librero y vendedor de

L

XL

periódicos. Posteriormente ascendió a

J )1

encuadernador lo que le Vi

permitió el acceso a numeJ Densédde corriente

de¡ Núcl eo

rosos libros convirtiéndose en un lector habitual. Tras la lectura de la Elec-

Núcleo magnético con permeabilidad p

de la

Enciclo-

pedia Británica

se des-

tricidacf' Conductor eléctrico con conductividad o

pertó en él su pasión por la Figura 3.11 Circuitos magnético y eléctrico.

Para explicar la causa que mantiene las líneas de fuerza en el circuito magnético es necesario definir el concepto de Fuerza magnetomotriz ( f.m.m.) que equivale en los circuitos eléctricos a la Fuerza electromotriz (f.e.m.). Viene determinada por el producto de la intensidad por el número de espiras de la bobina y se representa por la letra

E.

ciencia. A partir de entonces se desarrolló su carrera como físico y químico relevante. A lo largo de su vida realizó numerosos estudios y descubrimientos entre los que se encuentran la inducción

Su unidad es eIAV (amperiovuelta).

electromagnética, el principio del motor eléctrico o

En la tabla siguiente se pueden observar las similitudes entre el circuito eléctrico y el

el descubrimiento del

magnético.

Benceno.

Circuito magnético Fuerza Magnetomotriz. f.m.m. (Ay) Inducción Magnética 3 (Gáusíos) Permeabilidad magnética p (H/m) Campo magnético H (Av/m) Flujo magnético V (Wb) Reluctancia R

Circuito eléctrico Fuerza Electromotriz f.e.m. (V) Densidad de corriente J (Alm) Conductividad Eléctrica a (SIm) Campo eléctrico E (V/m) Corriente eléctrica 1 (A) Resistencia (Q)

Tabla 3.1. Comparación circuito eléctrico y circuito magnético.

La reluctancia R se define como la mayor o menor dificultad que presenta un circuito magnético al paso de las lineas de fuerza. Depende de la calidad del material y del volumen del circuito magnético.

Formó parte de la

Real

Sociedad de Londres y

murió el 25 de agosto de 1867 en Hampton Court (Londres) a los 75 años de edad.

Tipos de núcleos magnéticos

LFE

R: Reluctancia. Adimensional (no tiene unidad) L FE : Longitud del circuito magnético (cm) S FE : Sección del núcleo (cm') p: Permeabilidad magnética (HIm)

3 Materiales magnéticos Como se ha dicho anteriormente, los núcleos magnéticos aumentan la intensidad del campo magnético, para ello es necesario disponer de un material adecuado y que presente unas características magnéticas apropiadas. En este sentido, es necesario conocer las propiedades de los materiales magnéticos para posteriormente determinar cuáles son los más apropiados para cada aplicación. En la naturaleza se encuentran tres tipos de materiales con propiedades

Para mejorar el flujo magnético es imprescindible disponer de un núcleo magnético apropiado tanto en su forma física como en sus características magnéticas. Si nos referimos a su forma física, podemos encontrar núcleos en forma de C, E, E1, U, U-1, L, doble L, 1, rectangulares, toroidales, ovalados, etc., y de formas especiales dependiendo de la aplicación. En cuanto al material empleado podemos encontrar:

magnéticas. Estas propiedades se pueden explicar de forma microscópica a nivel molecular, aunque para ello es necesario recurrir a la mecánica cuántica. Sin embargo es posible explicar el comportamiento de estos materiales de forma macroscópica siguiendo el modelo atómico de Bohr. La característica principal de los materiales magnéticos es la

magnética

x

Hierro y Polvo de hierro: Es el material más básico y presenta pérdidas por histéresis y corrientes parásitas.

susceptibilidad

que mide la capacidad que poseen los materiales de imantarse en

presencia de un campo magnético.

Hierro al silicio SI: Es la aleación más utilizada como material magnético, mejora las pérdidas del anterior.

La susceptibilidad magnética depende directamente de la permeabilidad magnética (p) del material. Según el valor de estas magnitudes podemos dividir los materiales magnéticos en tres grupos. Materiales diamagnéticos

pl X,-1O 5

Materiales paramagnéticos

pl ; X+ 1O

Materiales ferromagnéticos

p» 1; X valor muy elevado

Cerámicas magnéticas: Se obtienen a partir de materiales magnéticos pulverizados y compactados con resinas especiales.

3.1. Materiales diamagnéticos

En los materiales diamagnéticos los electrones se alinean de una forma determinada cuando dicho material entra dentro del campo de acción de un campo magnético. Esta alineación de los electrones hace que aparezca un campo magnético contrario al inicial, de ahí la susceptibilidad negativa

(x,-l°

5)

Podemos

decir que los materiales diamagnéticos se magnetizan deforma muy leve en sentido opuesto al campo magnético aplicado, originando una fuerza de repulsión entre el material y dicho campo. Este efecto solo dura mientras el material está bajo los efectos del campo magnético externo, que cuando desaparece, los electrones vuelven a su posición inicial desapareciendo así la magnetización. Se dice entonces que los materiales - diamagnéticos no presentan

magnetismo remanente.

Ferrita: Es la unión de un óxido de hierro y un metal; cobalto, níquel, cobre, cinc o hierro divalente.

Todos los materiales

presentan propiedades diamagnéticas aunque en la mayoría de ellos muy leves e independientes de la temperatura. Los materiales que presentan mejores características diamagnéticas son el bismuto, plata, plomo, cobre, y oro.

3.2. Materiales paramagnéticos

Permeabilidad relativa Ii, de algunos materiales

Cuando un material paramagnético se posiciona dentro de un campo magnético los electrones de dicho material se alinean en la misma dirección que el campo. Se produce por tanto una magnetización en el mismo sentido que el campo magnético (susceptibilidad positiva x+10 3 ), lo que provoca una fuerza de atracción entre el campo y el material. La magnetización en los materiales paramagnéticos es muy pequeña y no presenta el efecto remanente, desapareciendo cuando se deja de aplicar el campo magnético externo. Al contrario de los materiales diamagnéticos depende de la temperatura, siendo más fuerte a bajas temperaturas. Ejemplos de materiales paramagnéticos son el aluminio, magnesio, titanio y wolframio. 3.3: Materiales ferromagnéticos

La permeabilidad relativa p,, es la permeabilidad absoluta de un material i.i con respecto a la permeabilidad del vacío p, =

La permeabilidad del vacío p0, también llamada cons-

tante magnética tiene un valor de:

=

Los materiales ferromagnéticos son los más importantes en relación a sus aplicaciones prácticas. Son materiales que poseen grandes imanaciones en presencia de campos magnéticos muy débiles. Esto se debe a la alineación particular que adoptan los electrones de sus átomos formando lo que se denomina dominios magnéticos. Cuando un material ferromagnético se coloca dentro de un campo magnético externo, se produce una imanación positiva en la misma dirección del campo, apareciendo un campo magnético total superior. Si el campo exterior es superior a un determinado valor, los dominios se alinean de tal manera que el efecto de imanación continua aún desapareciendo el campo magnético exterior. Se dice que los materiales magnéticos poseen magnetismo remanente. Cuando desaparece el campo magnético externo, el material ferromagnético queda imantado durante un periodo de tiempo variable, formando un imán permanente. Los efectos de la imanación, sin embargo, van desapareciendo con el tiempo en un proceso denominado histéresis. El ciclo de histeresis es un ciclo que describe la magnetización del material

y su

posterior desmagnetización a lo largo del tiempo y cuando ha desaparecido la fuerza del campo magnético externo. La histéresis en algunos materiales es muy grande lo que origina la existencia de imanes permanentes. Los materiales ferromagneticos son el hierro, cobalto y niquel, aunque se pueden añadir a estos los elementos de las tierras raras, gadolinio y disprosio. Cualquier aleación y compuesto ferromagnético poseerá uno o más de estos tres elementos. 3.4. Imanes naturales y artifiales Un imán es un cuerpo o dispositivo con un momento magnético significativo, de forma que tiende a alinearse con otros imanes. Podemos decir que existen dos tipos de imanes, los naturales y los artificiales. Los imanes naturales presentan propiedades magnéticas por si solos, sin necesidad de ser manipulados, es decir tal y como se encuentran en la naturaleza. Un ejemplo es la magnetita, que es un mineral de hierro constituido por óxido ferroso-diférrico (Fe304).

_!....

1O 7 N A

Permeabilidad relativa de algunos materiales Materiales Diamagnéticos

Bismuto Plata Plomo Cobre Oro

0,99983 0,99998 0,9999983 0,999991 0,999964 0 999991

Materiales Paramagnéticos

Aluminio Magnesio Titanio Paladio Platino

1,000023 1,000012

1,0000706 1,000782 1,0003

Materiales Ferromagnéticos

Cobalto 250 Níquel 650 Acero 1000 Polvo de ferrita 1500 Hierro puro 5000

Los imanes artificiales son aleaciones de compuestos que una vez unidos presentan propiedades magnéticas permanentes. Las aleaciones más comunes son las de hierro, cobalto y niquel, aunque las más potentes se fabrican con aleaciones de compuestos de las llamadas tierras raras como el Neodimio, que se combina con el hierro y el boro o el Samario que se combina con el cobalto.

4 Principio de las máquinas eléctricas. Inducción electromagnética Las máquinas eléctricas en cualquiera de sus tipos, generadores o motores, estáticas o de movimiento, basan su funcionamiento en la inducción electromagnética descubierta por Michael Faraday. La inducción electromagnética se simplifica diciendo que si un conductor eléctrico es sometido a las variaciones de flujo de un campo magnético, ya sea por movimiento del campo o por el movimiento del conductor, se crea en el conductor eléctrico una fuerza electromotriz inducida. Si el conductor cierra un circuito

Tren de levitación magnética MAGLEV (Magnetic Levitation, Levitación magnética). El tren de levitación magnética es una aplicación práctica del uso de los campos magnéticos. Básicamente este tipo de tren levita y se desplaza sobre un carril impulsado por campos magnéticos. Tanto la levitación como la propulsión se realizan gracias a las fuerzas de atracción o repulsión que presentan los campos magnéticos.

eléctrico a través de una carga, se produce una corriente que se denomina corriente inducida. El valor de la fuerza electromotriz inducida es proporcional a la variación del flujo e

Dependiendo del tipo de fuerza podemos tener dos tipos de sistemas.

inversamente proporcional al tiempo que dura dicha variación.

=__

Sistema EMS. Suspensión electromagnética. La levitación se produce por la atracción entre las bobinas del vehículo y las vías.

.: Flujo inicial que atraviesa al conductor. Maxivelios 1) 2: Flujo máximo que atraviesa al conductor. Maxivelios t: Tiempo que dura la variación de flujo. Segundos (

E: Fuerza electromotriz media inducida. Voltios Si lo que disponemos es de una bobina con un número determinado de espiras n, la fuerza electromotriz inducida es la suma de la generada por cada una de ellas,

Sistema EDS. Suspensión electrodinámica. La levitación se produce por las fuerzas de repulsión entre los imanes del vehículo y las bobinas de las vías.

quedando la expresión: fl

(

-

E= t. lo, El principio de la inducción magnética es reversible y lo mismo que una variación de flujo puede inducir una corriente eléctrica variable en un conductor, un conductor eléctrico al que se le aplica una corriente eléctrica variable, crea alrededor de éste un campo magnético variable. Este es el verdadero fundamento de las máquinas eléctricas. 3

Maquinas eléctricas estáticas. Transformadores

Los transformadores son máquinas eléctricas estáticas destinadas a transferir la energía eléctrica de un circuito a otro, utilizando como medio un circuito magnético común a ambos circuitos eléctricos, y modificando, si se desea, las características eléctricas de tensión e intensidad del segundo circuito con respecto al primero.

Ambos sistemas utilizan una onda magnética que se desplaza a lo largo del carril guía para proporcionar energía al tren mientras se encuentra suspendido.

,9 mlqu'~ nsi Trenes MAGLEV

1 Constitución

El transformador está compuesto por dos partes bien diferenciadas, el núcleo, que forma el circuito magnético y los bobinados (primario y secundario), que forman el circuito eléctrico.

Uno de los primeros trenes de levitación magnética que funcionan de forma comercial es el Shanghai Maglev

El núcleo Está formado por unas chapas de acero al silicio, que para transformadores de pequeña potencia pueden adoptar la forma de la figura 3.12. Las chapas están aisladas eléctricamente unas de otras por medio de un recubrimiento de barniz que se les da antes de unirlas.

Train, o tren Maglev de Shangay. Fabricado con tecnología alemana y japonesa fue inagurado en diciembre del 2002, y une el centro de Shanghai con su aeropuerto.

Los bobinados Van arrollados sobre el núcleo y aislados uno del otro y del propio núcleo. Al bobinado donde se conecta la entrada se le denomina primario y al bobinado de salida se le denomina secundario. Estas bobinas están formadas por hilos de cobre recubierto por una capa de barniz y tendrán diferentes secciones dependiendo de la potencia del transformador. Para potencias muy grandes los hilos de cobre se sustituyen por láminas de cobre aisladas mediante una funda de algodón.

El trayecto es de 30 km y el tiempo empleado en recorrerlos es de 7 minutos. El tren llega a alcanzar una velocidad máxima de 430 Km/h. Http://www.smtdc.com

Igualmente, en transformadores de gran potencia existe otro elemento indispensable y es el sistema de refrigeración. Ya que estos transformadores disipan mucho calor, es necesario refrigerarlos y para ello se usa aceite que se almacena en un depósito que forma parte del transformador al igual que los conductos por el cual el aceite enfría al núcleo y a los bobinados del mismo.

htt:llwww.transranid.de

5.2. Funcionamiento y características El funcionamiento de los transformadores, como en cualquier otra máquina eléctrica, se basa en el principio de la inducción magnética.

No obstante, un accidente en 2006 cuando se estaban realizando pruebas, causó la muerte de 23 personas, paralizando así a corto plazo las expectativas de puesta

Como hemos dicho anteriormente, un transformador se compone de dos o más bobinas arrolladas sobre un núcleo magnético. Si aplicamos una tensión alterna (corriente variable) en los extremos

en marcha de este tipo de trenes en Alemania.

de la bobina de entrada (primario), se produce una corriente eléctrica que a su vez crea un campo magnético que se canaliza a través del núcleo. Este campo magnético variable corta las espiras

Núcleo

del arrollamiento de salida (secundario) induciendo en él una tensión alterna entre sus extremos. Si a este bobinado se le conecta una carga, se establece una corriente eléctrica inducida. Por tanto, los transformadores solo pueden funcionar con corrientes alternas y su funcionamiento puede ser en un sentido o en otro. Es decir, si alimentamos al secundario con su tensión nominal, el arrollamiento creará un campo magnético que inducirá en la bobina del primario una tensión.

En Alemania, la empresa ThissenKrupp lidera el estudio de los trenes Maglev con el proyecto Transrapid.

Vi

V2

i da

Pri r Las características más importantes de un transformador son las siguientes: Figura 3.12. Transformador.

rio

Evolución de¡ transformador

U,: Tensión nominal del primario. Voltios (V) l: Intensidad nominal del primario. Amperios (A) U 2 : Tensión nominal del secundario. Voltios (V)

El transformador como tal,

1 2 : Intensidad nominal del secundario. Amperios (A) -

N,: Número de espires del primario,

distintos aparatos y dispo-

N 2 : Número de espiras del secundario. -

aparece tras la evolución de sitivos que utilizaban la

S: Potencia aparente del transformador. Voltioamperios (VA)

inducción magnética como

5.3. Transformador ideal

principal característica.

En el transformador ideal no se tienen en cuenta las pérdidas en el circuito eléctrico,

En 1882 se comienza a

perdidas por calentamiento en el cobre, ni en el circuito magnético, pérdidas por

utilizar las primeras bobinas

dispersión magnética. Por ello, podemos decir que en el transformador ideal toda la

de inducción para la

potencia aplicada al primario es entregada por el secundario a la carga. En estas

distribución de alimentación

condiciones se pueden definir las siguientes relaciones.

a las primeras lámparas incandescentes.

La potencia aparente del primario es igual a la del secundario. El desarrollo de estos

=

2

primeros dispositivos permitió la aparición de

- 2 -

12

sistemas de transporte de

Si relacionamos la tensión y corriente del primario y secundario, obtenemos la relación de transformación r, característica fundamental en un transformador.

energía eléctrica. Así, el 16 de septiembre de 1884 aparece el primer Generador Secundario

¡ V.

al que

dieron el nombre de

1

Transformador.

Como la tensión en los bobinados es función del número de espiras de los

A partir de este momento el

-

bobinados, podemos obtener la relación de transformación r, relacionando el

desarrollo y la mejora de los

-

número de espiras del primario y del secundario,

transformadores fue muy rápida, siendo su aplicación

444 f N . (1)

V, = 4,44 f N2

principal la del transporte eléctrico en corriente alterna,

V, 4,44 fN, i N, 12 -= = -== r 4,44 fN2 . N2 1

llegando a desbancar los antiguos sistemas de transporte en corriente continua.

Por último, y como se fijo anteriormente, la potencia aplicada al primario y la recibida en el secundario son iguales, por lo que se deduce que el rendimiento de un transformador ideales 1(100%). S, H1=—'l;l00%

LS

11

5.4. Funcionamiento del transformador real En el funcionamiento del transformador ideal no se tienen en cuenta las pérdidas que existen en el interior del mismo, estas pérdidas se consideran nulas y por tanto el rendimiento del transformadores de 1 o del 100%. Toda la energía que se aplica al primario se obtiene en el secundario.

En el transformador real esto no ocurre así y no toda la energía que se aplica al primario se obtiene en el secundario, parte de esta energía se pierde en forma de calor o de dispersión magnética. Para explicar el funcionamiento real del

Sistemas de refrigeración para transformadores de potencia

transformador se utilizan diferentes modelos matemáticos que tienen en cuenta todas estas pérdidas. Uno de los modelos más utilizados y que mejores resultados proporciona es el circuito equivalente del transformador real reducido al primario. En

En transformadores de potencia es necesaria la refri-

él se representan las pérdidas en el cobre debidas a la resistencia que presentan los

geración del mismo por la

bobinados del primario y secundario y las pérdidas en el circuito magnético debidas

gran disipación de calor que

a las pérdidas por dispersión, histéresis o corrientes de Foucault.

se produce debido al aumento de las pérdidas, y

lcc

1

que provocan el aumento de

Xcc

Rcc

la temperatura disminu-

A

yendo la vida de los aislantes

lE

¡FE

y de los propios devanados. V

xi,

RFE

y

V2

ir

_

El material utilizado para la refrigeración es el aceite de silicona que tiene la doble

Figura 3.13. Circuito equivalente del transformador.

En este circuito equivalente quedan representadas las siguientes magnitudes, las pérdidas en el hierro determinadas por R E . y X, y las pérdidas en el cobre

misión de refrigerar y aislar. El transformador se sumerge en una cuba principal donde se encuentra el

representadas por R 0 y Xcc -

aceite. El calor de las bobi-

Para determinar los valores característicos para cada tipo de transformador es necesario realizar un estudio de cada uno de ellos. En la práctica es difícil determinar directamente los parámetros debido a la gran cantidad de energía y a las elevadas corrientes que serian necesarias para realizarlas. Por ello, este estudio viene dado principalmente por dos ensayos característicos, el ensayo de vacío y el

nas y el núcleo se transmite al aceite que calienta las paredes de la cuba y es dispersado por convención y radiación al aire exterior.

ensayo de cortocircuito, que no requieren demasiadas necesidades y proporcionan Si la potencia del trans-

con bastante exactitud los parámetros comentados.

formador es muy grande la cuba dispondrá de radia-

5.5. Ensayo de vacío

dores externos aumentando En este ensayo se aplica la tensión nominal V, al primario, dejando el secundario sin conectar. En estas condiciones se dice que el transformador funciona en vacío ya que no tenemos ninguna carga conectada al secundario y por tanto 12 es O. La corriente del primario l se denomina corriente de vacío y tiene un valor muy pequeño con lo que se pueden despreciar las pérdidas en el cobre. Podemos afirmar por tanto que la potencia absorbida en yació corresponde mayoritariamente a las pérdidas en el hierro, representadas en el esquema por R E . y X. 'o

xJ

Figura 3.14. Rama paralelo.

la superficie de enfriamiento. Para el caso de muy alta potencia es necesaria la instalación adicional de ventiladores que aumentan la refrigeración.

uEiEr

©©

Para realizar el ensayo de vacío y poder determinar los parámetros descritos anteriormente es necesario montar el circuito de la figura.

Dispositivos auxiliares del transformador de potencia Un transformador de potencia

0

necesita de dispositivos Vca: 230V

auxiliares para su montaje,

Vi

mantenimiento y funcionamiento. Los dispositivos auxiliares más comunes son:

Figura 3.15. Ensayo de vacío.

A través de los instrumentos de medida obtenemos la tensión del primario y secundario en vacío medidas con los voltímetros y, y V 2 , la corriente de vacío 1, medida con el amperímetro y la potencia activa de vacío P 0 medida con el vatímetro. Con los datos obtenidos podemos calcular los parámetros R EE y X.

Ruedas de transporte. Fa-

cilitan el movimiento y transporte del transformador dentro del centro de transformación. Argolla de elevación.

Se

utiliza para poder elevar el transformador mediante grúas

P0 = y1

.

=

COS(

IFE2

o plumas.

= FE

+ i,

Pasatapas o aisladores.

Permiten el paso de los cables

cosq I= I senq

de AT o BT entre la cuba y el V1

y1

exterior. Los cables van

R=--

RFE =

alojados en su interior y suelen

O

ser de porcelana rellenos de aire. Evitan el campo eléctrico Figura 3.16. Fórmulas y Diagrama vectorial del ensayo de vacío.

que aparece entre el cable y la tapa metálica de la cuba

5.6. Ensayo de cortocircuito

principal. Mediante el ensayo de cortocircuito se va a determinar la rama serie del circuito equivalente, es decir, la resistencia e inductancia de cortocircuito. Esto se justifica al ser la corriente que se produce en el primario mucho mayor que la corriente de vacío l, con lo que las pérdidas en el circuito magnético (rama paralelo del circuito equivalente) se desprecian, quedando bien definidas las pérdidas en el cobre

Depósito de expansión de

aceite. Es donde el aceite refrigerante encuentra un lugar para expandirse y por donde se controla su nivel y

representadas por R cc y X.

estado. lcc=Ii

Rcc

Xcc Relé de protección Buchholz. Detecta la forma-

ción de gas procedente de un calentamiento excesivo del

Vicc

aceite que nos indica problemas de sobrecarga. El relé actúa sobre el sistema de mando abriendo los disyunFigura 3.17. Rama serie.

Este ensayo requiere más atención que el de vacío ya que es necesario cortocircuitar el secundario y corremos el riesgo de sobrepasar la corriente máxima para los aparatos de medida y para el propio transformador.

tores de entrada y salida.

El ensayo propiamente dicho consiste en cortocircuitar el secundario por medio de un amperímetro A2 y aplicar una tensión variable al primario V. Esta tensión se va aumentando hasta alcanzar la corriente nominal en el primario I. Para desarrollar correctamente el ensayo es necesario conectar un watímetro que mida la potencia activa de cortocircuito en el primario P, un amperímetro que mida corriente de cortocircuito del primario I c otro amperímetro que mida la corriente en el secundario 12, y un voltímetro que nos proporcione la tensión de cortocircuito del primario V 1 . Todo ello se ve representado en el esquema de la figura.

Vca

Figura 3.18. Ensayo en cortocircuito.

rr!

Para realizar el ensayo se va aumentando la tensión del primario hasta obtener una corriente 1, igual a la corriente nominal. En ese momento, se hace lectura de todos los aparatos y se realizan los cálculos oportunos para obtener los valores de R cc y X. Estos cálculos vienen determinados por las siguientes expresiones.

CC

= V ICC 'IN

CO5,

VRCC = 'CC' 'IN = VICC

=

vIcc

vzcc

COS(Pcc

Vxcc . cos,cc

'IN

y X =

——pec

V ROO

'IN

Figura 3.19. Fórmulas y diagrama vectorial del ensayo en cortocircuito.

Otros ensayos Los ensayos de vacío y cortocircuito sirven para determinar ciertos parámetros del transformador. Sin embargo en transformadores de potencia es necesaria la realización de otro tipo de ensayos para determinar otro tipo de características. O Medida de la resistencia de devanados. • Ensayo de relación de transformación y grupo de conexión. • Medida de la impedancia de cortocircuito y de las pérdidas debidas a la carga. • Medida de la resistencia de aislamiento de las bobinas en CC. • Medida de rigidez dieléctrica. • Ensayo de excitación a tensión reducida. • Medida de la respuesta en frecuencia. • Ensayo de calentamiento. • Ensayos físico-químico de gases. • Determinación del nivel de ruido. • Ensayo de estanqueidad.

Símbolos más comunes del transformador

E»I $iJ

Figura 3.20. Símbolos del transformador. Multifilar y unifilar.

©U'©

53. Tipos de transformadores Transformadores de alimentación

Conexión de transformadores de intensidad

Son transformadores de pequeña potencia cuya función es transferir con buen

Los transformadores utili-

rendimiento la potencia de la red cambiando los niveles de tensión y de corriente y adaptándolas a las necesidades de los circuitos electrónicos. Forman parte de las

zados para la medida de grandes intensidades dis-

fuentes de alimentación de éstos y están formados por un primario y varios secundarios. Su rendimiento se aproxima al 98%.

ponen de dos devanados.

Transformadores de audiofrecuencia Son usados en circuitos donde se emplean tensiones y corrientes de frecuencias comprendidas entre 20 y 20000Hz, las cuales se consideran audiofrecuencia (señales audibles). A estas frecuencias las pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault son muy altas por lo que los núcleos de los transformadores son de hierro y pequeños, y los bobinados son de hilo muy fino y con muchas espiras. Estos transformadores se usan en equipos de audio, amplificadores, altavoces, micrófonos, etc. Transformadores de instrumentación Se utilizan para medir tensiones e intensidades en redes eléctricas de alta y media tensión que no se pueden medir directamente con los medidores de uso común. Su función consiste en reducir los valores de tensión y corriente que queremos medir, de manera que en el secundario del transformador podamos medir con los instrumentos de medida comunes la tensión o intensidad deseada. Al valor obtenido por el aparato de medida tendremos que aplicar la relación de transformación del transformador para obtener la medida real.

El primario está formado de pocas espiras y con hilo de sección elevada. Se conecta en serie con la línea a medir. El secundario está formado por un número mayor de espiras y de menor sección. A éste se conecta el amperímetro que nos medirá la corriente 12. A partir de la relación de transformación y de la medida que nos da el amperímetro en el secundario 12, podemos obtener el valor de la intensidad de la línea 1.. N, = 12•

12

L

1 r

Transformadores para soldadura eléctrica En la soldadura eléctrica se usa un transformador reductor que reduce la tensión proporcionando por tanto una intensidad elevada que será utilizada para la soldadura eléctrica en forma de arco eléctrico o por puntos. El funcionamiento se basa en crear un cortocircuito en los extremos del secundario del transformador de manera que los electrodos conectados en el secundario se funden y quedan pegados a la pieza que se quiere soldar. Transformadores de radiofrecuencia Tienen el mismo uso que los de audiofrecuencia pero para frecuencias más altas que los 20000Hz. Se distinguen también de estos en que las pérdidas por histéresis y corrientes de Focault son mucho mayores por lo que se construyen con núcleos de aire. Son usados en equipos de radiofrecuencia, Antenas de TV, Amplificadores de TV, etc. Transformadores separadores Son transformadores igualadores de tensión y se utilizan para el aislamiento de circuitos. Conectando un circuito eléctrico al primario y otro al secundario conseguimos aislar eléctricamente ambos circuitos entre sí. De esta forma si se produce una avería en uno de estos circuitos no afecta al otro.

Tr

Figura 3.21. Transformador de intensidad.

29

H(tqu ,unsl

Transformadores toroidales

Conexión de transformadores de tensión

Están construidos con un núcleo en forma de asta de toro al que van arrollados el primario y secundario. De esta forma las pérdidas son minimas debido a la estructura del núcleo,

El transformador de tensión para medida, se utiliza para

Autotransformadores

disminuir la tensión de una línea de AT o MT a un valor pequeño de BT que pueda ser

Transformador de potencia que permite adaptar las tensiones a cargas de distintos valores. Está constituido por una sola bobina y un cursor que se desplaza a lo largo de ésta obteniendo así dos tensiones una para entrada y otra para salida dependiendo de si queremos elevar o reducir la tensión.

6 Transformadores trifásicos Para aplicaciones de media y gran potencia es necesario el uso de transformadores trifásicos y más concretamente para el transporte y la distribución en media y alta tensión. 1 Constitución

Un transformador trifásico se puede considerar como la unión de tres transformadores monofásicos, de hecho, se podría construir un transformador trifásico a partir de tres monofásicos. No obstante, esta configuración resultaría poco rentable tanto económica como energéticamente ya que se requerirían tres núcleos independientes. Es por ello que los transformadores trifásicos se construyen con un solo núcleo formado por tres columnas donde van arrollados los tres bobinados correspondientes al primario y secundario de cada una de las líneas trifásicas. De esta manera se ahorra chapa y el flujo magnético (c1) de cada una de

medido por un instrumento de medida convencional El primario de[ transformador se conecta en paralelo con la línea y el neutro, en caso de medir tensión simple, o entre línea y línea en caso de medir tensión compuesta El secundario se conecta a un voltímetro de tal manera que la lectura de éste es proporcional a la tensión en el primario. Partiendo de la relación de transformación y del valor de tensión dado por el voltímetro V2 , podemos determinar el valor de la tensión que estamos midiendo de

las fases discurre por el mismo núcleo aumentando su efectividad. 6.2. Funcionamientr

forma indirecta V.. El transformador trifásico se conecta a una red de alimentación trifásica de tal manera que cada bobina primaria genera un flujo c, que está desfasado 120 1 con respecto a los otros, al igual que las tensiones aplicadas a los primarios. Estos flujos circulan por el núcleo induciendo en las bobinas de los secundarios una tensión que está desfasada igualmente 1200 con respecto a los otros secundarios.

Figura 3.22. Constitución del transformador trifásico.

Ti

T2

=,T— Tr

Núcleo

V2

V2 V

La

Figura 3.23. Transformador de Tensión.

Núcleo

Núcleo

vLl-L2=vl

V

T3

Placa de características de un transformador trifásico 2

Figura 3.24. Transformador trifásico.

No obstante, cabe destacar que entre el primario de una columna y el secundario de esa misma columna no aparacen desfases significativos entre la tensión primaria y secundaria ya que el flujo generado por el primario prácticamente no se ve afectado

La placa de características de un transformador tiene que quedar visible y debe contener información del fabricante, información de características eléctricas, mecánicas, de protección y constructivas. Las características que se deben encontrar en la placa son.

por los otros flujos. Se acepta por tanto que la tensión en el secundario está en fase con la del primario en una misma columna, teniendo ambas bobinas un punto (de

Características de

comienzo) donde el valor de la tensión instantánea es la misma. Se dice entonces

fabricación

que los terminales poseen la misma polaridad. Li.i

L2-1

L3-1

Fabricante Tipo y modelo Referencia de fabricante Características eléctricas

Ti

.1

Li mi T2

7 Li.2

L2.2

L3.2

Figura 3.25. Ti nsiones en transfor nador trifásico.

Los

parámetros eléctricos del transformador trifásico son idénticos a los del

transformador monofásico ya que el análisis se hace en base a tres transformadores monofásicos independientes. De esta manera, todos los valores determinados en los ensayos y esquemas equivalentes se expresan en valores simples aplicando las mismas técnicas de estudio empleadas en los transformadores monofásicos. Así, para cada uno de los transformadores tenemos:

= V, 1=V2 1, V, 4,44fN -= V, 4,44fN 2

N, 12 =-=-= r N, I

S, 1=— = 1; 100%

Potencia en KVA Tensión del primario Tensión del secundario Corriente primaria Corriente secundaria Frecuencia Relación de transformación Grupo de conexión Tensión e intensidad de cortocircuito Características constructivas

Peso Dimensiones Clase de protección Clase de aislamiento Tipo de refrigeración

6.3. Designación de terminales

Características eléctricas de la conexión estrella

Para la designación de los terminales del transformador se utilizan letras mayúsculas y minúsculas. Así, el comienzo de las bobinas del primario se designa

Partiendo de una red trifá-

con las letras A,ByC,yel final de estas como A',B',yC,respectivamente.

sica de tensión compuesta de linea VL, y corriente de línea

En el secundario la designación se hace con letras minúsculas, siendo a, b, y c, el

la conexión estrella

proporciona a las bobinas del transformador trifásico

comienzo de las bobinas de secundario y a', b', y c' el final de las mismas. Hay que destacar que el terminal A del primario y a del secundario son terminales que tienen

una tensión.

la misma polaridad, es decir, no hay apenas desfase de tensión entre un punto y otro tal como se ha visto en el apartado 6.2.

VI =

Primario A

Siendo V, la tensión en la

?J

A'B

B'C

bobina uno, y, en la dos y

C'

a' b

b' c

y,

en la tres. En el caso de la corriente:

rm

a

y, =v3 = --=-

Il =I LI ;I2 =I;I3 =IL3

Siendo 1,, 1, e 1, las corrien-

c'

tes correspondientes a cada bobina.

Secundario

Un devanado conectado en estrella tendrá una tensión menor y una corriente mayor en comparación con la conexión triángulo, lo que permite un devanado con menos espiras y de mayor

Figura 3.26. Asignación de terminales,

6.4. Conexiones del transformador trifásico Básicamente, los transformadores trifásicos tienen tres tipos de conexión dependiendo de cómo se conecten las bobinas de éstos, ya sean del primario o

sección.

secundario. Los tres sistemas de conexión más comunes son estrella, triángulo y zig-zag.

En el lado de alta se utiliza cuando es necesario el enlace de redes con altas tensiones. En el lado de baja se utiliza para poder obtener

Conexión en estrella Se designa con la letra Y para el lado de alta tensión, e y para el de baja. En la figura

una red con neutro.

se muestra la conexión del secundario de un transformador trifásico. Los terminales de inicio de las bobinas y marcados con un punto, se dejan libres para su conexión a

Figura 3.28. Conexión estrella.

la carga, mientras que los terminales finales se conectan en el mismo punto lo que origina la formación de un neutro. Li

a,.

2

L2 •

-

a

L3 N

Ii

Vi

a' a

ab

b' c

Va

c'

b 13

Figura 3.27. Configuración estrella.

12

Conexión en triángulo

Características eléctricas de la conexión triángulo

Se designa con la letra D, para el lado de alta tensión y con la letra d para el de baja. En este caso, el inicio de una de las bobinas se conecta con el final de la siguiente de

Partiendo de una red trifá-

tal manera que se forma un triángulo de conexión estando los terminales que se

sica de tensión compuesta

conectan a la carga formados por dos puntas de bobinas distintas.

de línea VL , y corriente de línea 'L' la conexión triángulo proporciona a las bobinas del transformador trifásico una tensión. V I = V2 :_ y3

= v1

Siendo V, la tensión en la

a

b

c

bobina uno, y, en la dos y y, en la tres. En el caso de la corriente: IL

h1

C-b

12

'3

Siendo 1,, 1 2 , e 1 3 las corrientes correspondientes a cada

B-a'

bobina.

Figura 3.29. Configuración triángulo.

Un devanado conectado en triángulo tendrá una tensión

Conexión en zig-zag

mayor y una corriente menor En la práctica solo se realiza en el lado de BT y consiste en dividir las bobinas del

en comparación con la cone-

secundario en dos partes iguales y conectar una de ellas en estrella y cada una de

xión estrella, lo que origina

estas ramas en serie con el polo libre de la bobina adyacente.

un devanado con mayor número de espiras pero de menor sección. Responde bien ante cargas desequilibradas, por el contrario, no dispone de neutro.

a

Figura 3.31. Conexión triángulo.

a

cl ILI

Li L2 Li N

Figura 3.30. Configuración zig-zag. -

6.5. índice horario de los transformadores trifásicos

índices horarios más utilizados

Como se ha visto en el punto anterior, existen varias posibilidades de conexión de los devanados del transformador trifásico, que unido a cómo conectemos el sistema de alimentación trifásica, hacen que aparezcan diferencias de fase entre las tensiones compuestas del primario y secundario.

Conexión fasonal

horario Grados Tipo

OdO

0

00

A.

CAS

y./,

Para que quede definido el desfase entre las tensiones compuestas de primario y secundario en función del tipo de conexión de los bobinados se recurre al llamado "índice horario". Este es un indicador que se basa en la

CABA

distribución de las horas de un reloj de manecillas, cuyos número están separados entre si 300. Si consideramos ángulos positivos los ángulos de retraso de las tensiones compuestas del lado de menor tensión con respecto a las de tensión más elevada, y asignamos los desfases con una hora determinada del reloj obtenemos el índice horario del transformador.

150

5°

Yd5

Por ejemplo, si el indice horario del transformador es 11, el retraso de la Yz5

señal de tensión compuesta del lado de baja tensión con respecto al de alta es de 11 x 300 = 330 0 . Para calcular el índice horario de un transformador con un tipo de conexión determinada hay que partir de una serie de suposiciones. 1. Consideramos en todos los casos que la alimentación del transformador se hace a través de un sistema trifásico equilibrado y en sentido directo, es decir L adelanta a L 2 120°, y a su vez L 2 adelanta a L 3 120 1 . Por tanto la

Dd6

180

secuencia es L-1- 2-L 3 .

6°

YY6

Dz6

L

CIJT' Dyli

330

L3

L2

11 0 Ydll

>C

>

YzI 1

Figura 3.32. Sistema trifásico equilibrado. Figura 3.34 Grupos de conexión. 20 . Consideramos que no existe desfase entre las tensiones de dos bobinas que están montadas sobre la misma columna del núcleo. El desfase es tan mínimo que se puede despreciar. Esto quiere decir que la bobinaA-A'tiene la misma fase que a-a'.

Ll A

L2 A'B

L3 B'C

Partiendo de estos puntos se puede proceder a la determinación del índice horario de un transformador con un grupo de conexión determinado. Para ello se van a ir representando los vectores que determinan las tensiones compuestas así como las bobinas de primario y secundario. Consideremos el transformador de la figura con su grupo de conexión Dy. Ll

L3 L2 Figura 3.33 Grupo de conexión Dy.

C'

93 li

~

Los pasos a seguir para la determinación del índice horario son los siguientes:

Conexión de transformadores en paralelo

Sobre un reloj de manecillas imaginario se representan los vectores de las tensiones simples del devanado primario, de tal manera que el terminal A de la bobina se sitúa en la parte superior del reloj, justo en las 12. Sobre el reloj imaginario situamos los vectores de las tensiones de línea que se conectan a los terminales del primario. A=C'

A=C'

=A

c=I

Figura 3.35. Paso 1. A continuación y sobre el mismo dibujo se representan las tensiones simples secundarias teniendo en cuenta que los devanados primario y secundario situados en la misma columna tienen la misma fase para los bornes homólogos. Lo que supone representar los vectores a-a', b-b'y c-c' con el mismo ángulo que los vectores A-A', B-B', y 0-0' pero teniendo en cuenta el tipo de conexión. Una vez representados todos los vectores y señalizadas las líneas, se parte desde el punto A donde generalmente se aplica la línea L, y se describe un ángulo en sentido horario hasta alcanzar la línea del secundario que corresponde a L 1 . El ángulo que forman será el ángulo de desfase entre la tensión L 1 del primario y la de L 1 del secundario. Los vectores resultantes representan las manecillas del reloj

En ciertas ocasiones se plantea la necesidad de aumentar la potencia del centro de transformación de distribución al aumentar la demanda de energía en ciertos periodos de tiempo Una solución para no interrumpir el servicio e instalar un transformador de más potencia, es instalar un segundo transformador conectado en paralelo para dar así la potencia adicional en esos periodos de tiempo. Para poder conectar dos transformadores en paralelo han de cumplirse una serie de condiciones. Tener el mismo índice horario y por tanto el mismo grupo de conexión. Tener misma relación de transformación. Tener idénticas tensiones de cortocircuito. -

-

-

imaginario y nos dan el índice horario en forma de hora en punto.

C=E

Figura 3.37. Transformadores en paralelo. Figura 3.36. Paso 2.

( . LAct i vidades

3.1. Para los siguientes valores obtenidos en el ensayo de cortocircuito P=170kW, 1=10A y V 1 =20kV, calcular los valores característicos del transformador en cortocírcuíto. Rcc, Xccycosp.

3.2.

Realizar el esquema de conexión de dos cargas trifásicas una de 690V y otra de

400V (tensiones compuestas) conectadas a la salida de un transformador trifásico de tensión compuesta en el secundario de 690V.

3.3.

Determinar y calcular el grupo de conexión y el índice horario del transformador

cuyo diagrama fasorial se representa en la figura 3.38.

"'~

c c~

Figura 3.38. Diagrama fasorial.

4 Máquinas eléctricas rotativas 1 introducción

Clasificación de las máquinas eléctricas rotativas

Las máquinas eléctricas rotativas o móviles representan uno de los grupos de dispositivos eléctricos más importantes. Tanto en la versión de generador como de

Generadores

motor, intervienen partes móviles que originan o proporcionan campos magnéticos que interactúan a su vez con corrientes eléctricas para conseguiré¡ efecto deseado.

Corriente Continua Dinamo

Como se ha dicho en temas anteriores, las máquinas eléctricas rotativas las podemos clasificar en dos grandes grupos, máquinas de CC y máquinas de CA. A

Tabla 4.1 Generadores.

su vez y dependiendo del sentido en el que fluya la energía tendremos dos tipos, motores o generadores.

Energía Eléctrica Máquina Eléctrica

Energía Mecánica

Figura 4.1. Máquina eléctrica rotativa.

Dentro de estos grupos se pueden establecer nuevas características que determinan a su vez nuevos grupos, tanto en el rango de motores como en el de generadores. Sin entrar en detalle de las características de cada uno de ellos, se puede establecer una segunda clasificación en función de aspectos constructivos y de funcionamiento que serán vistos más adelante. Esta nueva clasificación se puede observaren la tablas 4.1 y4.2.

2 Constitución de las máquinas eléctricas rotativas Las máquinas eléctricas rotativas tienen una serie de elementos en común los cuales es necesario conocer para posteriormente analizar el funcionamiento y características particulares de cada una de ellas. Estos elementos comunes se pueden dividir en tres grandes grupos o sistemas, sistema mecánico, sistema eléctrico y sistema magnético. 2.1. Sistema mecánico Es el sistema que proporciona la estructura donde se aloja todo el conjunto de la máquina eléctrica. Permite el anclaje a la bancada o dispositivo de sujeción, permite el alojamiento adecuado de las bobinas y proporciona el sistema de conexión del circuito eléctrico. El sistema mecánico de la máquina eléctrica se puede dividir en varios grupos, estátor, rotor, fijaciones, colectores y elementos de transmisión del movimiento. Estátor Es la parte fija de la máquina, tiene una forma cilíndrica que en el caso de máquinas de gran velocidad es bastante largo en comparación con su diámetro, mientras que para velocidades pequeñas el cilindro es pequeño.

Corriente Alterna Alternador

Motores

Corriente Continua

Corriente Alterna

Excitación Independiente

Sincronas

Excitación Serie

Asíncronas o Inducción

Excitación Paralelo o Shunt

Motores Universales

Excitación compuesta o compound Brushless (sin escobillas)

Tabla 4.2. Motores.

Proporciona la base mecánica para la fijación del motor en la bancada o en la máquina accionada y la sujeción del sistema del rotor. Así mismo, es el elemento que aloja en su interior las bobinas del estátor. Está constituido por material ferromagnético que en máquinas de pequeña potencia se construye en forma de monobloque de fundición de hierro colado y en varios bloques para máquinas de gran potencia. Internamente, el estátor está convenientemente ranurado para alojar el bobinado del estátor. Estas ranuras pueden ser de tres tipos, abiertas, semicerradas y cerradas.

Dispositivo de protección térmica Clixon" El clixon es un dispositivo de protección térmica.

En el interior de los motores eléctricos de gran potencia a menudo se pueden encon-

Rotor

trar unos pequeños relés de

Es la parte móvil de la máquina. Está montado sobre un eje que proporciona el intercambio de la energía mecánica y que descansa sobre unos rodamientos o cojinetes que permiten su giro libremente. Los cojinetes y rodamientos están sujetos o apoyados en la culata o chasis del estátor. En su superficie se aloja el bobinado del rotor y está constituido al igual que el estátor de material ferromagnético. Es usual en muchos tipos de motores alojar en el eje del rotor un ventilador que proporciona la ventilación natural de la máquina.

acción térmica o interruptores bimetálicos llamados 'clixon".

Figura 4.4. Clixon.

Estos dispositivos están formados por un bimetal que al calentarse a una determinada temperatura produce la conexión de sus terminales.

Figura 4.2. Rotor y estátor

Cuando la temperatura del

Fijaciones

bimetal desciende, el dispo-

Llamamos fijaciones o fijación, al sistema mecánico que la máquina eléctrica utiliza para su fijación en una bancada o el acoplamiento con la máquina accionada. Las fijaciones están incluidas en el sistema de estátor y pueden ser principalmente de dos tipos, brida o patas. Estos tipos de fijaciones determinan la forma de acoplar la máquina eléctrica y la máquina accionada. En la imagen se pueden observar los dos tipos de fijaciones.

sitivo vuelve a su estado de reposo.

Se instalan en el interior de los motores y se cablean hacia el exterior a través de la caja de bornas. Cuando en el interior del motor aumenta la temperatura de forma

-

anormal, el clixon actúa sobre el circuito de mando y detiene el motor. Cuando la temperatura vuelve a un

-

valor determinado el clixon vuelve a su estado de reposo y permite la activación del motor.

Figuras 4 3. Motor con brida y motor con patas.

MÉquo, niT Rodamientos

a .a da

Están situados en ambos extremos del rotor y su función es la de sujetar el mismo sin impedir el giro libre de éste y con el menor rozamiento posible. Existen infinidad de rodamientos o cojinetes eligiéndose para cada tipo de máquina el más adecuado de acuerdo con la velocidad, potencia y tipo de servicio de la máquina.

Debido al volumen y peso de algunos motores así como a la fuerza que ejercen las cargas mecánicas sobre estos, es necesario disponer de un basamento o banca-

¿'

da que permita montar la

máquina y sujetarla de forma adecuada al forjado o estructura de la planta. Figuras 4.5. Rodamientos.

Colectores El colector es el dispositivo encargado de conectar la bobina o bobinas alojadas en el rotor. Al ser este un elemento que gira, es necesario un dispositivo que sea capaz de conectar el circuito de rotor afectando lo menos posible al giro del eje del rotor. Existen dos tipos de colectores, colector de de/gas y colector de anillo. Cada uno de ellos posee unas características y constitución diferente así como un componente común, las escobillas.

La bancada debe permitir el montaje de la máquina de forma fija mediante el sistema de brida o patas. Generalmente estas bancadas están construidas de vigas de acero y acopladas al piso mediante si!entblock que absorben vibraciones y ruidos.

Colector de delgas El colector de delgas es un sistema compuesto por una serie de láminas de cobre situadas sobre en un extremo del eje del rotor. Estas láminas llamadas delgas están colocadas unas junto a otras y separadas entre sí y del eje de la máquina por un aislante, generalmente de mica. Así mismo, las delgas están dispuestas a lo largo del perímetro del rotor. En uno de los extremos de la delga, el más cercano al bobinado del rotor, se conectan los extremos de las bobinas rotóricas por medio de un sistema que permite el contacto eléctrico. Por otro lado ya lo largo de la delga, se sitúa la escobilla, de manera que ésta haga contacto eléctrico con la delga. Figura 4.7. Bancada. /

Nw

Figura 4.6. Colector de de/gas.

La misión del colector de delgas es la de obligar a la corriente que entra o sale del bobinado del rotor que lo haga siempre en el mismo sentido, es decir, que la corriente que extraemos o introduzcamos en esta bobina sea siempre continua, independientemente de la corriente inducida en el bobinado. De esta manera se puede decir que el colector de delgas es utilizado en máquinas de CC.

-

®©M©

Colector de anillos rozantes

Acoplamiento y transmisión mecánica

En este caso, los extremos de la bobina van a parar a unos anillos de bronce alojados en el eje del rotor (un anillo por cada extremo de cada bobina o conjunto de ellas) sobre los que roza la escobilla correspondiente a la cual se conecta el circuito exterior. De esta forma conseguimos aplicar o extraer del circuito exterior una corriente que es igual a la que circula en la bobina del rotor. Generalmente, el colectorde anillos rozantes se utiliza en máquinas de CA. Escobillas Son las encargadas de realizar el contacto eléctrico con los anillos rozantes o las delgas. Se fabrican de grafito electrolitico y tienen que permitir un buen contacto electrico con el menor desgaste de estas. Su posición es fija y van alojadas en unos .. . portaescobillas que les proporcionan la fijación y conexión eléctrica con el circuito exterior,

La finalidad de un motor eléctrico es el movimiento de una carga mecánica. Por ello, el acoplamiento entre el motor eléctrico y la máquina accionada es un punto importante en el diseño de un sistema accionado por tracción eléctrica.

Dependiendo del tipo de accionamiento podemos tener distintos tipos de acoplamientos o elementos de transmisión del movimiento: O Correas. • Rodillos. • Embragues. • Piñones. O Poleas. O Ventiladores. O Tornillos sin fin.

Figura 4.8. Escobillas.

2.2. Sistema eléctrico Los componentes que forman parte del sistema eléctrico lo constituyen básicamente las bobinas y el sistema de conexión. Ya sean motores o generadores, las máquinas eléctricas disponen de dos bobinados independientes, bobinado inductor o excitación y bobinado de inducido. UO

Inductor La bobina inductora o de excitación es la encargada de generar un campo magnético en el interior de la máquina que permita o cree la inducción en la bobina inducida. En motores de muy pequeña potencia, este campo magnético lo generan imanes permanentes evitando el uso de bobinas. Inducido Es la bobina o conjunto de ellas donde se inducen corrientes inducidas gracias al campo magnético creado por el inductor. Las bobinas están hechas de hilo de cobre recubierto de una capa de esmalte para evitar el contacto eléctrico entre las espiras, para motores de poca potencia, o de pletinas de cobre recubiertas de cinta de algodón para máquinas de gran potencia. También se usa el aluminio, pero exclusivamente para rotores de jaula de ardilla en motores asíncronos de gran potencia.

®©T© Dependiendo del tipo de máquina, tanto el inductor como el inducido, pueden estar alojados indistintamente en el rotor o en el estátor. No obstante, existen diferentes tipos y características de bobinados. Bobinados abiertos La bobina tiene un principio y fin, siendo estos extremos utilizados para su conexión eléctrica. Bobinados cerrados La bobina no tiene ni principio ni fin y la conexión eléctrica se realiza en un punto intermedio de la bobina.

Tipos de bobinado

[I[EEI]I Concéntrico

1" H

Excéntrico

Bobinados concentrados La bobina se enrolla sobre un núcleo polar. Bobinados distribuidos Imbrincado

Son bobinados que cubren toda la periferia de la máquina y están alojados en las ranuras practicadas e a tal efecto. Pueden ser de dos tipos, en anillo o tambor. Hoy en día solo se usa el bobinado en tambor. Bobinados en anillo Ondulado

La bobina recorre toda la periferia de la máquina tanto en su interior como en su exterior. En este tipo de bobinado la parte interior de la bobina no produce f.e.m. inducida ya que no es atravesada por ningún campo magnético, debido a que las líneas de fuerza se encauzan por el núcleo, evitando así la circulación de lineas por

Figura 4.11. Tipos de bobinados.

el interior. Solo las ramas externas de la bobina aprovechan las líneas de campo induciendose en ellas f.e.m. Inducida.

Figura 4.9. Bobinado en anillo.

Bobinado de tambor

Es el que se utiliza hoy en día y está distribuido por la periferia de la máquina de manera que las líneas de campo magnético atraviesen las dos caras de la bobina obteniendo un mayor rendimiento de ésta.

• • e e. ,

Figura 4.10 Bobinado de tambor.

H

@©©

Asimismo, dependiendo de la forma de la bobina y su conexión, los bobinados se pueden clasificaren: Todo campo magnético está Bobinados concéntricos.

compuesto de dos polos, o

C Bobinados excéntricos,

zonas magnéticas de distinto

Bobinados imbricados,

signo, polo norte y polo sur,

Bobinados ondulados,

que siempre van unidos y no se concibe la presencia de

-

2.3. Sistema magnético

unosin la del otro.

El sistema magnético lo componen el conjunto del estátor, rotor y entrehierro. Este conjunto proporciona un camino para el flujo magnético y dependiendo de la forma

En las máquinas eléctricas

que tengan el estátor y el rotor, el circuito magnético presentará unas características u otras encontrando distintas aplicaciones para cada uno de ellos,

estos polos lo forman el conjunto de las bobinas y de las estructuras magnéticas donde van

•

Según la forma física del rotor y estátor podemos tener tres tipos de circuitos magnéticos.

común

alojadas.

referirse

máquina eléctrica

a

Es una

por el

número de polos (magné-

Estátory rotor cilíndrico

ticos) que tiene p, y como La estructura circular de los núcleos magnéticos del rotor y estátor proporcionan la base para crear un campo magnético giratorio y variable en cada uno de ellos a partir

estos no pueden ser un

de corrientes alternas trifásicas. Su uso se restringe a las máquinas asíncronas y los polos magnéticos vienen determinados por la disposición de las bobinas.

casos se habla de pares de

Estátor cilíndrico, y rotor con polos salientes

Dependiendo del número de

En este caso el estátor tiene una estructura circular por lo que se pueden generar

tricas se pueden clasificar en

campos magnéticos giratorios y variables. Por el contrario el estátor dispone de polos salientes que pueden ser dos, cuatro, seis etc. Esto origina que el circuito

bipolares, 2 polos o 1 par de

magnético se queda concentrado en estos polos de tal manera que obtenemos un

2 pares de polos, etc. El

campo magnético que no es giratorio pero que puede ser variable en función del tipo

número de polos determi-

número impar, en algunos polos 2p.

polos las máquinas eléc-

-.

de corriente aplicada. Este tipo de configuración se usa en máquinas síncronas.

polos, tetrapolares, 4 polos o

nará entre otras cosas la velocidad de rotación y el par

Estátor con polos salientes y rotor cilíndrico

en el eje

El estátor es ahora el que tienen los polos salientes y localizados en unas determinadas posiciones. Los campos magnéticos generados por este tipo de configuración son fijos en el espacio y pueden variar dependiendo del tipo de corriente que los alimenten. Se utiliza en máquinas de corriente continua yen algunos casos de motores de baja potencia se utilizan imanes permanentes.

o

Estátor y Rotor Cilíndricos

UO

Estátor Cilíndrico y Rotor con Polos Salientes Figura 4.12. Sistemas magnéticos.

Estátor con Polos salientes y Rotor Cilíndrico

@cM© Pérdidas

y

rendimiento

Potencia eléctrica, potencia mecánica

Las máquinas eléctricas son dispositivos que transforman energía. Parte de esta energía se transforma en trabajo útil y otra parte en calor, siendo ésta considerada como pérdida. Podemos decir entonces que como en toda máquina, la potencia aplicada a la entrada del sistema es mayor que la potencia recibida a la salida. Esto marca el rendimiento de la máquina, que está directamente relacionado con las pérdidas que presenta el dispositivo.

En los motores eléctricos hay que tener presente la diferencia entre la potencia eléctrica que se aplica a la maquina y la potencia mecánica que esta nos proporciona en el eje.

3.1. Pérdidas En las máquinas eléctricas rotativas no solo tenemos las pérdidas en el cobre y en el hierro sino que además tenemos, a causa del movimiento del eje, unas pérdidas relacionadas con el rozamiento. Los tres tipos de pérdidas en este tipo de máquinas son: Pérdidas en el cobre Al igual que en las máquinas estáticas, estas pérdidas se producen en los circuitos eléctricos debido al paso de la corriente eléctrica por las bobinas. La corriente que circula por el cobre origina calor por efecto joule, aumentando las pérdidas por calor cuánto más alta es la corriente. Pérdidas en el hierro Vienen determinadas por la dispersión que presenta el flujo magnético cuando atraviesa los núcleos. Parte del flujo creado se canaliza por el núcleo existiendo lineas de campo que no son concentradas por este, dispersándose al exterior de la máquina sin ser aprovechadas. Pérdidas mecánicas Son perdidas intrínsecas al movimiento. Vienen determinadas por el rozamiento entre las partes móviles, rodamientos, escobillas y ventilador principalmente. Cuando dos superficies se mantienen en contacto y en movimiento opuesto, aparece una fricción que aumenta la temperatura, afectando este aumento de calor al rendimiento de la máquina. 3.2. Rendimient.. El rendimiento de una máquina eléctrica rotativa viene definido por el cociente entre la potencia obtenida a la salida de la máquina o potencia útil (energía eléctrica en el caso de los generadores y energía mecánica en el caso de los motores), y la potencia aplicada a su entrada o potencia total, (energía mecánica en el caso de los generadores y energía eléctrica e en el caso de los motores). - Potencia útil

P

- Potencia total

P

Teniendo en cuenta las pérdidas comentadas anteriormente, la potencia aplicada o total tiene que ser la suma de la potencia útil (P u ) y la potencia de pérdidas (P s ). - — p::]

Energéticamente no hay diferencia entre ambas ya que nos indican la capacidad de realizar un trabajo. No obstante, la energía eléctrica aplicada se transforma en energía mecánica en el eje, (potencia útil) y en energía de pérdidas. Generalmente cuando nos referimos a máquinas eléctricas, el término de potencia se aplica a la potencia eléctrica que se aplica a la máquina y viene expresada en kilowatios (kW) o caballos de vapor (C y). Siendo, 1 CV= 736W

75 rk -.

Por tanto, el rendimiento de la máquina eléctrica rotativa, como cualquier tipo de máquina, será menor que 1 y vendrá dado en % al multiplicar por cien el resultado de la siguiente expresión.

=

-

Pu + Pp

4 Tipos de servicio y características

'

Para la elección correcta del motor o generador es necesario definir una serie de características tanto eléctricas como mecánicas que van a condicionar el funcionamiento de la máquina y por tanto su elección para una determinada aplicación.

Relación entre la potencia eléctrica y la mecánica Establecer la relación entre la potencia eléctrica que tenemos que aplicar a un motor para que este nos proporcione una potencia mecánica en el eje, va a depender de muchos factores como por ejemplo el tipo de motor o el tipo de acoplamiento mecánico.

Entre estas características podemos citarlas más importantes: Potencia asignada y potencia nominal. OÍD Tipo de aislamiento térmico. Tipo de protección. Tipo de servicio. 4.1. Potencia asignada y potencia nominal Es común en los fabricantes referirse a los valores eléctricos como valores asignados o valores nominales. En la norma UNE EN 60034-1:1995 habla de las características asignadas y características de funcionamiento. Podemos definir como valor asignado a la magnitud que un fabricante otorga a una variable para una aplicación específica y determinada que condiciona el funcionamiento de una máquina eléctrica rotativa. Se puede decir que es el valor más adecuado para un determinado tipo de servicio. Por otra parte, los valores nominales expresan las magnitudes de las variables que las máquinas eléctricas pueden desarrollar sin peligro de deterioro por calentamiento y dependen del tipo de aislamiento térmico que posee cada máquina. 4.2. Tipo de aislamiento térmico La generación de calor en el interior de la máquina eléctrica es un hecho inevitable provocado por las pérdidas producidas en el cobre y en los elementos mecánicos. El calor generado en la máquina tiene que ser considerado y atajado en la medida de lo posible evitando así el deterioro de los elementos que la componen, que puede llegara la destrucción de la misma o a la pérdida de rendimiento. Cuando una máquina ha alcanzado el equilibrio térmico, la temperatura en el interior permanece constante, siendo el calor generado igual al calor evacuado al exterior de la máquina. A este efecto se le denomina equilibrio térmico y define la temperatura de régimen.

La temperatura de régimen tiene que ser inferior a la temperatura que pueden soportar los elementos constructivos de la máquina, de tal manera que estos no se vean afectados reduciendo sus cualidades. Para mitigar el efecto de la temperatura y aumentar por tanto la temperatura de régimen, los materiales empleados en la construcción de las máquinas eléctricas deben poseer sistemas aislantes que los protejan de las elevadas temperaturas de régimen.

Esto quiere decir que para motores con características diferentes tendremos que aplicar diferentes potencias para una misma carga mecánica. No obstante, todos los motores eléctricos tienen un rendimiento característico p, que nos indica la relación entre las potencias descritas. Así, la potencia eléctrica P que necesitamos para mover una carga de potencia P. se establece como:

Pu

Z Háqu ,un2,1 ®©M@ Las normas UNE EN 60034-1:1995, UNE 21-305 y CEI-85 establecen una temperatura ambiente convencional como referencia y determinan una temperatura máxima que pueden soportar los aislantes. En función de esta temperatura máxima las normas citadas definen hasta ocho tipos de aislamiento. Clases de Aislamiento Térmico para Materiales de Máquinas Eléctricas Temperatura

Clase de Aislamiento

Materiales

A

Celulosa o seda impregnados con iquidos aislantes

105°C

E

Fibras orgánicas sintéticas

120 ° C

8

Poliester y poliimidos aglutinados con materiales orgánicos o impregnados con estos

130°C

F

Mezcla de fibra de mica, amianto y fibra de vidrio aglutinado con materiales sintéticos (siliconas, poliésteres o epóxidos)

155'C

H

Mezcla de fibra de mica, amianto y fibra de vidrio aglutinados con siliconas de alta estabilidad térmica

180°C

200

Mica, vidrio

Máxima

Ley de

Joue

Cuando una corriente eléctrica recorre un elemento resistivo, ya sea un cable, una bobina o una resistencia, se está produciendo un movimiento de cargas que chocan entre sí liberando energía en forma de calor. La ley de Joule relaciona la corriente eléctrica que atraviesa un elemento reslstivo y el calor que desprende en un periodo determinado de tiempo.

J2R -i t

y cerámica

C: Cantidad de calor, unidad de energía expresada en

200 ° C

220

Mica, vidrio, cerámica y poliimidas tipo Kapton

220°C

250

Mica, vidrio, cerámica y polilmidas tipo Kapton

250°C

Julios (J).

Tabla 4.3. Aislamiento térmico.

4.3.Tipo de protección Las máquinas eléctricas están diseñadas para funcionar en diferentes ambientes donde es importante tener en cuenta los posibles efectos perjudiciales que afectarían al funcionamiento correcto de éstas. Existen infinidad de ambientes y causas que determinan el tipo de protección que requiere la máquina. Polvo, agua, humedad, altas y bajas temperaturas, ambientes explosivos, etc., son ejemplos de condiciones bajo las cuales deben funcionar ciertas máquinas. Por ello, es

1: Intensidad que circula por el conductor. (A) R: Resistencia eléctrica del conductor (0) t: El tiempo en el que se desarrolla la potencia. (s) El equivalente en calorías de la cantidad de calor se puede expresar como

C = 0,239 12. R t Siendo, 1J-0,24 calorías

necesario protegerlas contra estos elementos de tal manera que puedan funcionar correctamente sin peligro de deterioro. Para determinar el grado de protección que las máquinas han de cumplir para determinados casos, existe un indice de protección que identifica el ambiente

Nivel

Tamaño de Objeto

O

-

1

>50 mm

2

>12.5 mm

3

>2.5 mm

4

>1 mm

5

Protección contra polvo

6

Protección fuerte contra polvo

donde una máquina determinada puede operar. Este índice está basado en la norma UNE 20324, equivalente a la norma EN 60529 y se identifica por dos letras "IP" que significan "International Protecction", seguido de dos dígitos numéricos. El primer dígito nos indica el tipo de protección contra el ingreso de objetos sólidos y

está compuesto por 7 niveles, desde el 0a16.

Nivel de Protección Sin protección El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 50 mm de diámetro) no debe llegar a entrar por completo El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 12.5 mm de diámetro) no debe llegar a entrar por completo El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 2,5 mm de diámetro) no debe entrar en lo más mínimo El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 1 mm de diámetro) no debe entrar en lo más mínimo La entrada de polvo no puede evitarse, pero el mismo no debe entrar en una cantidad tal que interfiera con el correcto funcionamiento del equipamiento El polvo no debe entrar balo ninguna circunstancia

Tabla 4.4. Protección contra objetos sólidos.

2

@©t©

2

77

2 2

El segundo dígito indica la protección contra el ingreso de agua. Tienen hasta 9 niveles, delO al 8.

2 2

Nivel

Tamaño de Objeto

Nivel de Protección

O

Sin protección.

El agua entrará en el equipamiento

1

Goteo de agua

No debe entrar el agua cuando se la deja caer, desde 200mm de altura respecto del equipo, durante 10 minutos (a razón de 3-5 mm' por minuto)

Goteo de agua

No debe entrar el agua cuando de la deja caer, durante 10 minutos (a razón de 3-5 mm" por minuto). Dicha prueba se realizará cuatro veces a razón de una por cada giro de 15 1 tanto en sentido vertical como horizontal, partiendo cada vez de la posición normal de trabajo

Agua nebulizada, (spray)

No debe entrar el agua nebulizada en un ángulo de hasta 60° a derecha e izquierda de la vertical a un promedio de 10 litros por minuto ya una presión de 80-1OOkN/m 2 durante un tiempo que no sea menor a 5 minutos

Chorros de agua

No debe entrar el agua arrojada desde cualquier ángulo a un promedio de 10 litros por minuto ya una presión de 80-1OOkN/m 2 durante un tiempo que no sea menor a 5 minutos

chorros de agua

No debe entrar el agua arrojada a chorro (desde cualquier ángulo) por medio de una boquilla de 6,3 mm de diámetro, aun promedio de 12,5 litros por minuto ya una presión de 30kN/m durante un tiempo que no sea menor a 3 minutos ya una distancia no menor de 3 metros

2 2

2 2 2 2 2

4

2 2

5

2 6

Chorros muy potentes de agua

No debe entrar el agua arrojada a chorros (desde cualquier ángulo) por medio de una boquilla de 12,5 mm de diámetro, a un promedio de 100 litros por minuto y a una presión de 1 OOkN/m 2 durante no menos de 3 minutos y a una distancia que no sea menor de 3 metros

7

Inmersión completa en agua

No debe entrar agua

2 2 2 2 8

2 2

Inmersión completa continua en agua

y

No debe entrar agua

Tabla 4.5. Protección contra ingreso de agua.

2 2

Para un valor de IP54, tendremos una máquina que está protegida contra el polvo y

2

contra los la proyección de chorros de agua.

2

Códigos de protección 1K

2 Es un código que indica el grado de protección que presenta una envolvente contra

2 2 2

impactos mecánicos nocivos, salvaguardando los materiales y dispositivos alojados en su interior. Se identifica por las siglas 1K seguidas de un número que puede ir del 0 al 10. Este número siempre se muestra con dos dígitos e indica de forma progresiva el aumento de la energía del impacto sobre la envolvente.

2 2

Grado 1K

Energía

Masa (KG) y altura (mm) , de la pieza de golpeo

2

IKOO

--

-

--

2

IKO1

0,15

-

0,2170

1K02

0,2

1K03

0,25

2

1K04

0,5

2

1K05

0,7

1K06

1

2

1K07

2

2

1k08

5

1K09

10

IK10

20

2

2 2 2 2 2

0,21100

-

0,21175 0,21250 0,21350

-

0,51200 0,51400 1,71295

-

Tabla 4.6. Protección 1K

51200 51400

Refrigeración de las máquinas eléctricas rotativas La generación de calor en el interior de una máquina eléctrica rotativa es un hecho a tener en cuenta a la hora del diseño y ubicación de la misma así como el régimen de funcionamiento que se le va a exigir. Es importante que la máquina tenga mecanismos de ventilación tanto en su estructura como en el habitáculo donde se instalan. Así, las máquinas rotativas pueden aprovechar el movimiento del eje para ventilar el interior del motor. Por ello en el eje del motor se instala un ventilador que junto a una culata con rejilla extrae el calor del interior del motor deforma efectiva. En máquinas de gran potencia se instalan sistemas de ventilación adicionales por medio de ventiladores y tubos de refrigeración.

©1© 4.4. Tipos de servicio

Símbolos básicos de máquinas rotativas

En función de la duración del ciclo de marcha y paro, así como de la magnitud de la carga tanto en el arranque (par de arranque) como en el funcionamiento continuo o nominal (par de servicio), las máquinas eléctricas rotativas se pueden clasificar según el tipo de servicio. Las normas UNE 20-113-7 y UNE-EN 60034-1:1995

Motor deCC

definen hasta 10 clases de servicio que los fabricantes tienen que especificar mediante la letra S seguida de un número del 1 al 10.

Generador de CC

Tipos de Servicio de las Máquinas Eléctricas Rotativas Tipo

clasificación

Descripción

Si

Servicio Continuo

Carga constante y duración suficiente para alcanzar el equilibrio térmico

S2

Servicio Temporal

Carga constante pero tiempo inferior al necesano para alcanzar el equilibrio térmico

S3

Servicio Intermitente Periódico

Sucesión de ciclos de servicio idénticos con penados de funcionamiento con carga constante y reposo

S4

Servicio Intermitente Periódico con Arranque

Sucesión de ciclos de servicio idénticos comprendiendo cada uno de ellos un penado de arranque, un penado de funcionamiento con carga constante y un penado de reposo

SS

Servicio Intermitente Penódico con Frenado Eléctrico

Sucesión de ciclos de servicio idénticos comprendiendo cada uno de ellos un periodo de arranque, un periodo de funcionamiento con carga constante, un penado de frenado eléctrico rápido y un penado de reposo

S6

Servicio Ininterrumpido Penódico con Carga Intermitente

Sucesión de ciclos de servicio idénticos comprendiendo cada uno de ellos un penado de funcionamiento con carga constante y un penado de vacio. No existe penado de vacio

S7

Servido Ininterrumpido Periódico con Frenado Eléctrico

Sucesión de ciclos de servicio idénticos comprendiendo cada uno de ellos un penado de arranque, un penado de funcionamiento con carga constante, un periodo de frenado eléctrico No existe periodo de reposo

S8

Servicio Ininterrumpido Penódico con cambios de carga y velocidad relacionados

Sucesión de ciclos de servicio idénticos comprendiendo cada uno de ellos un periodo de funcionamiento con carga constante y velocidad de giro determinada, seguido de uno o vanos penodos de funcionamiento con otras cargas constantes correspondientes a velocidades de giro diferentes. No existe periodo de reposo

S9

Servicio con Variaciones no Periódicas de Carga y Velocidad

La carga y la velocidad tienen una venación no penódica dentro del margen de funcionamiento admisible.

SiO

Servioo con Cargas Constantes Diferentes

Servicio con un máximo de cuatro valores diferentes de carga, cada uno de los cuales se mantiene un tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio térmico

iIíiII:

Motor monofásico

Generador monofásico

Motor asíncrono trifásico

Generador trifásico

Motor síncrono trifásico

Generador síncrono trifásico

Motor universal

(' Tabla 4.7. Tipos de servicio.

5 Máquinas de corriente continua

Figura 4.13. Simbologia.

El uso de las máquinas de corriente continua yen especial los motores, se ha basado en la facilidad que éstos tienen en cuanto a la variación de su velocidad usando simples reóstatos. No obstante, tanto las dinamos como los motores de CC, han quedado en desuso debido principalmente a la aparición de dispositivos electrónicos de potencia que han permitido la regulación de velocidad de motores de CA. Esto, unido al hecho de que los motores de CC son más caros y presentan un mantenimiento más regular, ha hecho que el uso de estos motores se vea minimizado. Hoy en día el uso de motores de CC se restringe exclusivamente a las aplicaciones ya existentes a la espera de ser reemplazados por sistemas de CA. No obstante, existen motores de corriente continua que están teniendo un desarrollo importante y juegan un papel fundamental en la automatización industrial. Máquinas como los motores paso a paso y los servomotores son utilizados en aplicaciones de poca potencia y con un control de posición y giro bastante preciso.

in

Vex

Figura 4.14. Máquina de corriente continua.

79

Uç ®©©

---1

5.1. Constitución

Máquinas de comente continua

La máquina eléctrica de corriente continua está constituida por dos circuitos eléctricos formados por sendos devanados denominados inductor (excitatriz) e inducido. La excitatriz se sitúa en el estátor y genero el campo magnético inductor o principal y el inducido situado en el rotor de la máquina, aprovecha el flujo magnético para generar una corriente eléctrica inducida. Esta configuración es válida tanto para el funcionamiento como motor como para el funcionamiento como generador o dinamo. Ha de resaltarse que la máquina de CC es totalmente reversible, pudiendo funcionar indistintamente como motor y como dinamo. El bobinado inductor se conecto hacia el exterior mediante contactos directos situados en la caja de bornas de la máquina, mientras que el bobinado inducido, al estar en movimiento, su conexión al exterior ha de realizarse mediante un par de escobillas en contacto con el colector de delgas. El colector de delgas tiene la doble misión de conectar el circuito de inducido a través de las escobillas al exterior y de proporcionar una corriente continua pulsatoria en el circuito exterior cuando funciona como dinamo y permitir el uso de corriente continua pulsatoria en la entrada del circuito de inducido para el caso de funcionamiento como motor. La máquina de CC dispone además de unos polos adicionales situados en el estátor y formados por una pequeña bobino conectada en serie con el bobinado de inducido. Estos pequeños polos se denominan polos de conmutación y su misión es la de minimizarla reacción de/inducido que se explicará más adelante. 5.2. Funcionamiento como motor Si conectamos la bobina de excitación a una fuente de corriente continua se origina

Son máquinas eléctricas que aparecen en 1830 y se desarrollan principalmente como generadores de corriente continua a gran escala, En su etapa inicial los ingenieros buscaban un sistema de generación de corriente similar a la proporcionada por la pila de Volta (pila galvánica), primer generador de CC, pero esta vez a gran escala. Más tarde ya raíz del descubrimiento de la inducción magnética, los generadores de CA desplazan a la dinamo en su uso quedan-do en un segundo plano. A partir de entonces el estudio de las máquinas eléctricas de CC se centra en el motor, convirtiéndose este en un elemento importante dentro del desarrollo tecnológico e industrial.

una corriente de excitación que a su vez crea un campo magnético. Este campo magnético es constante y uniforme y crea un flujo que va del polo norte al polo sur, ambos situados en los núcleos polares del estátor. En estas condiciones el flujo corta a los conductores situados en la periferia del rotor pero sin existir inducción ni interacción con el inducido ya que por este no circula corriente ni se mueve a través del campo inductor. Sin embargo, si conectamos el inducido a una fuente de tensión continua, aparece en la bobina de inducido una corriente que ahora sí interactúa con el campo magnético inductor creando un par de fuerzas en los extremos de la bobino que origina el giro de esta y por tanto el giro del rotor. Al cambiar el rotor la posición, los extremos de la bobina han cambiado de posición, tal y como se muestra en la figura, por tanto vuelve a aparecer el + Vm

par de fuerzas en los extremos de la bobina y en el mismo sentido que anteriormente, por lo que la bobina se vuelve a girar. De esta forma el rotor del motor de CC gira a una velocidad constante que va a depender de la corriente de excitación y del -

número de polos del inductor. + Vex

Figura 4.15. Motor de corriente continua.

-

,

i máqu'Dnl@

Por otra parte, la corriente de inducido crea a su vez un campo magnético que genera una tensión inducida en la bobina contraria a la tensión inducida inicialmente. Esta fuerza electromotriz se denomina fuerza contraelectromotriz y genera una fuerza que se opone al giro del rotor Este hecho hace que en el entrehierro existan dos flujos magnéticos, el inicial creado por el inductor y el creado por esta fuerza contraelectromotriz originada en el inducido. Esto provoca una reacción que se conoce como reacción de inducido , hace que la línea neutra se desplace hacia la derecha o izquierda del eje central donde van instaladas las escobillas, lo que provoca que los conductores que pasan por las escobillas, o los conductores en conmutación adquieran una tensión inducida que en contacto con la tensión aplicada de las escobillas, provoca el típico chisporroteo. En el caso de los motores la línea neutra se desplaza unos grados en dirección contraria al giro del eje del motor.

©©

Características i tipos de la corriente continua Una corriente continua se caracteriza porque siempre circula en el mismo sentido. Puede llegar a ser cero pero en ningún caso se invierte su sentido. Podemos encontrar diferentes tipos de corriente continua:

Para evitar este hecho, se instalan unos polos situados justo encima de los conductores que van a ser conmutados. Estos polos están formados por unas pequeñas bobinas que se conectan en serie con las bobinas del inducido. Sirven para corregir parcialmente o completamente los problemas de la reacción de inducido o lo que es lo mismo, los voltajes autoinducidos. Realmente lo que hacen estos polos es crear un pequeño flujo concentrado solo en los conductores que se están conmutando de tal manera que anula la tensión inducida evitando así el chisporroteo de las escobillas.

CC

CC

admisibles en los extremos de las bobinas. Corrientes de excitación 1 y de inducido 1 .

Variable

cc Pulsatoria

Un motor de corriente continua posee distintas características a tener en cuenta, desde el modo de conexión, que se verá más adelante, hasta la potencia eléctrica que consume. Las características más importantes del motor de c.c. Son: Formas de conexión. Independiente, serie, paralelo o compound. Vendrá dada por la identificación de los terminales. Potencia nominal expresada en Kw. Es la potencia eléctrica que consume el motor. Tensión de inducido V, y tensión de inductor V 0 . Son las tensiones máximas

Fija

Triangular

CC Pulsatoria Cuadrada

1 CC Pulsatoria Senoidal Media Onda

Velocidad de rotación del eje del rotor. 5.3. Funcionamiento como dinamo Como se ha dicho anteriormente, la maquina eléctrica de c.c. es reversible, aunque es imprescindible hacer notar algunas diferencias constructivas. En la dinamo, el eje del rotor estará conectado mecánicamente a la máquina que le hará girar. Los núcleos polares que forman el inductor y que se sitúan en el estator, poseen una magnetización remanente que les hace funcionar cuando la dinamo es autoexcitada. Para explicar el funcionamiento de la dinamo aplicamos una tensión continua en la bobina inductora del estátor. Esto crea un campo magnético análogo al creado en el motor. Sin embargo al no existir movimiento ni corriente por la bobina de inducido, no existe inducción. Si hacemos girar el rotor por medio de la máquina externa, la bobina de inducido comienza a cortar las líneas de fuerza del campo inductor. Se induce por tanto una tensión en el inducido. Esta tensión es alterna senoidal ya que cada 1 800 la corriente cambia de sentido de circulación en la bobina del inducido.

CC Pulsatoria Senoidal Doble Onda Figura 4.16. Sena/es de CC.

¿8 MÉquins@@©© Línea neutrE

Rc

La línea neutra es una línea

imaginaria que divide al indu+ cido en dos mitades simétricas y marca el lugar donde se alojan las escobillas.

-

+ -

Si la máquina está funcio-

Vex

nando sin carga, la línea neutra permanece perpendi-

Figura 4.17. Generador de corriente continua.

No obstante, el colector de delgas hace que la tensión aplicada a los extremos de las escobillas sea corriente continua pulsatoria. Si conectamos una carga eléctrica en los extremos de las escobillas se producirá una corriente inducida gracias a la fuerza electromotriz inducida. Esta corriente inducida a su vez genera una fuerza electromotriz inducida que se opone al campo magnético inductor, de tal manera que opone resistencia al giro del rotor. Aesta fuerza electromotriz se le denomina fuerza contraelectromotriz y al igual que en los motores produce el mismo efecto de reacción del inducido que origina a su vez el desplazamiento de la línea neutra. En este caso la línea neutra se desplaza en el mismo sentido del giro del eje de la dinamo. Para solucionar este problema, en las dinamos se recurre igualmente a los polos de conmutación que tienen el mismo efecto que en los motores.

cular al eje del motor. Cuando la máquina entra en carga, la línea se desplaza de la perpendicular debido al aumento de la reacción de inducido. Linea neutra en carga

Linea neutra en vacío

011149 IWAR

5.4. Configuraciones básicas Dependiendo de cómo realicemos la conexión exterior del circuito de excitatriz y de inducido podemos disponer de hasta cuatro configuraciones distintas para la conexión de la máquina de CC, independientemente del tipo de funcionamiento, como motor o como dinamo. Estas cuatro configuraciones son: Conexión independiente. El circuito de excitatriz se conecta de forma independiente al circuito de inducido. Conexión serie. El circuito de excitatriz se conecta en serie con el circuito de inducido. Excitación paralelo o Shunt. El circuito de excitatriz se conecta en paralelo con el circuito de inducido. Excitación compuesta o compound. Parte del circuito de excitatriz se conecta en serie con el circuito de inducido y el resto lo hace en paralelo. 5.5. Conexión independiente En este caso existen dos fuentes de alimentación de corriente continua, una para cada uno de los bobinados. V, para el inducido y V e para el inductor. De esta forma ,

- podemos controlar independientemente las corrientes de inducido 1, y de excitatriz L. En el caso de las dinamos, la tensión inducida será proporcional a la velocidad de giro del rotor y la potencia mecánica aplicada al eje debe ser la suma de la potencia eléctrica de salida más la potencia de pérdidas mecánica yen el hierro.

Figura 4.18. Línea neutra.

4 1 +

Vi;

II

lxx

un

AlA)

¡ex Ai(A)

+

+o

+

Fi (J)

Asignación de terminales en máquinas de corriente continua

Ven B)

Para la representación com-

o

C F2(K)

pleta de una máquina de CC. Es necesario representar

Dinamo

Motor

tanto la bobina de inducido como la de excitación y pue-

Figura 4.19. Conexión independiente,

Para el motor, la velocidad de giro se puede controlar variando la corriente de excitatriz. A más corriente más flujo y por tanto más velocidad. Para variar el sentido de giro del motor basta invertir la polaridad de una sola de las bobinas, inducido o inductor. En el esquema de la figura 4.19. se puede ver la conexión tanto del motor como de la dinamo, y donde se identifican los terminales con la nomenclatura moderna o actual y la nomenclatura antigua entre paréntesis

den representar tanto a un generador como a una dinamo. Inducido

Al b.6. Conexion serie Excitatriz Independiente Para el circuito serie tenemos una sola fuente de tensión para ambos bobinados que se conectan en serie tal y como muestra la figura. Como se puede ver, la corriente de

Fi(J)

excitatriz l. es igual a la corriente de inducido 1 . En el caso de funcionamiento como dinamo entraría dentro del grupo de dinamos autoexcitadas ya que el campo magnético inicial que produciría la inducción magnética es debido a una magnetización remanente que poseen los polos magnéticos del inductor. La tensión del inductor suele ser bastante pequeña y la del inducido es función de la velocidad de¡ eje deladinamo.

F2(K) Excitatriz Serie

Cl(E)

Excitatriz Paralelo El(C)

Para el motor con conexión serie este puede desarrollar un par de arranque elevado y su velocidad puede ser controlada modificando la corriente del circuito variando la tensión aplicada o introduciendo un reóstato de regulación. Para invertir el sentido de giro del motor basta invertir la polaridad de una sola de las bobinas, inducido o inductor, al igual que en el caso anterior, Ir

len

lin

ex

A(A) Ci(E

I

Vin

+V-

+

Motor

y Dinamo

Figura 4.20. Conexión serie.

5.7. Conexión paralelo. Shunt El circuito Shunt o paralelo consta igualmente de una sola fuente de tensión pero las bobinas de inductor e inducido se conectan en paralelo de tal manera que la tensión en las bobinas es igual pero no las corrientes.

C2(F)

E2(D)

Figura 4.21. Asignación de terminales.

Las letras entre paréntesis corresponden a la nomenclatura antigua.

®©1© IT

IT 1

ex+E 1 (C)

Curvas características de un motor de corriente continua

i(C)

+0 -

vn 1

y

Vex

v,n

VRC

inducido e inductor. En el motor, el par de arranque es menor y la velocidad se puede

Existen tres curvas características de un motor de CC que son determinadas por el fabricante de la máquina mediante los oportunos ensayos. Estas curvas relacionan las magnitudes características de las máquinas. Velocidad-Corriente de inducido, w-I. Par motor-Corriente de indu-

regular variando la intensidad del inductor utilizando un reostato en la rama de

cido, M-I,.

inductor, sin variar de esta forma la tensión de alimentación.

Par motor-Velocidad, M-w

-0

V

+Ó B) Al(A)lE2(D) 1

' Al(A3E2(D) B

Motor

Dinamo Figure 4.22. Conexión paralelo.

La dinamo de excitación paralelo forma parte al igual que la de excitación serie al grupo de las dinamos autoexcitadas y basan su funcionamiento al magnetismo remanente de los polos magnéticos. La tensión generada y aplicada a la carga es la misma que la del inducido e inductor siendo la corriente, la suma de las corrientes de

Para el cambio del sentido de giro se aplica el mismo criterio que en

los casos

WIL

anteriores. 5.8 Conexión Cornnound

lIn

Este tipo de conexión permite disponer parte de las características o ventajas de los circuitos serie y de los paralelo. Tal y como muestra la figura, parte de la bobina del inductor está conectada en serie con el inducido y la otra parte se conecta en lín

paralelo. Ii

IT

Mil lexÁ lCi

+

C2

— Excítácion independiente y párálelo

VRC

V

Ei -

— Excítácion serie Excitácion compound

Vex 'n E2

A

Figura 4.24. Curvas características del motor

Dinamo

Motor

de corriente continua. Figura 4.23. Conexión compound.

Ecuaciones características de los motores de corriente continua

Fuerza contraelectromotriz producida en el inducido Número de polos w; revoluciones por minuto N: conductores activos Flujo producido por polo 2a: Número de ramas en paralelo 2p:

• co N

1

L.

=

= k' (o -

2a 60 -

......J

Par motor ( N m)

L

M=

2pN 2 '2a

Velocidad de giro (r.p.m.)

Tensión aplicada al inducido -

ry

= + .

1, + 2V

Corriente de inducido R,: Resistencia del inducido V• . Caída de tensión en las escobillas I:

KD

Ü©M© 6 Máquinas de corriente continua sin escobillas. Brushless Uno de los grandes inconvenientes que presentan los motores de corriente continua es el desgaste y el chisporroteo que presentan las escobillas. El desgaste, hace que las labores de mantenimiento para las máquinas de corriente continua yen especial para los motores sea un inconveniente ya que provoca pérdidas de tiempo y en consecuencia pérdidas económicas. Por otro lado, el chisporroteo que se produce entre la escobilla y las delgas, puede provocar interferencias en circuitos sensibles destinados principalmente a sistemas de telecomunicaciones. Es por ello, que se hace necesario en determinadas aplicaciones el uso de motores de corriente continua sin escobillas ni delgas. Los motores de corriente continua sin escobillas ni delgas son motores diseñados principalmente para aplicaciones de poca potencia que requieren un control muy exacto de la posición del eje. Suelen usarse en periféricos de ordenador (escáner, controladores de discos, impresoras, etc.), cámaras, telescopios y sistemas de posicionamiento de satélites, aplicaciones médicas, robótica, escáner del código de barras y herramientas mecánicas controladas deforma numérica,

Motores Brushiess de corriente alterna

Los motores Brushless no solo son motores de CC, también existen motores de CA síncronos cuyo eje puede ser posicionado de manera efectiva y exacta. En estos motores, el rotor no es bobinado sino que está formado por imanes permanentes que generan un campo magnético fijo. Por otro lado, los bobinados del estátor se alimentan con sistemas de corrientes tri-

Existen diversos tipos de motores de corriente continua sin escobillas o motores brushless, siendo los más usados los motores paso a paso y los servomotores,

fásicas que generan un campo magnético variable y giratorio Este campo mag-

6.1. Motores paso a pasc

nético interactúa con los imanes del rotor que hace

El motor paso a paso es un caso particular de motor sin escobillas. Su constitución difiere de los motores de corriente continua convencionales en que el rotor es el inductor y el estátor el inducido. Su alimentación se basa en la aplicación de un tren

que éste gire a la misma velocidad que el campo magnético giratorio.

de impulsos que se aplica a las bobinas que forman el estátorde forma secuencial.

Se utilizan en aplicaciones que generalmente requie-

Este tipo de motor está diseñado para realizar movimientos del eje precisos que

ren más potencia, dejando a los brushless de CC aplicaclones de sistemas de baja potencia y miniatura.

pueden ir desde los 0,7 ° a los 90 ° dependiendo del número de bobinas que forman el estátor y la disposición que adoptan. Estos movimientos circulares discretos del eje se denominan pasos, y cada uno de ellos se produce cuando es aplicado un pulso en una de las bobinas. Controlando la velocidad de los pulsos aplicados y la secuencia con que éstos se aplican a las bobinas, se puede controlar la velocidad de giro, la posición exacta del eje y la inversión del sentido de giro. A

A

flI

Ii( Ill

miii

C' Figura 4.25. Motor p-p magnetismo permanente.

Los sistemas de control entre unos y otros también varían considerablemente.

Existen tres tipos de motores paso a paso dependiendo de la forma constructiva, más concretamente en función de como se crea o como se genera el campo magnético inductor. Motor paso a paso con imán permanente El rotor está formado por un imán permanente, en forma de disco. El estátor tiene forma cilíndrica, y en su interior se encuentran diversos bobinados, que al ser alimentados secuencialmente generan un campo magnético giratorio. Como resultado de las fuerzas de atracción-repulsión, el imán que forma el rotor se orientará dentro de este campo magnético giratorio, lo que provocará su movimiento controlado.

Ángulo de paso

El ángulo de paso a, también conocido como resolución del motor paso a paso, indica el número de grados que el eje del motor, o lo que es lo mismo el rotor, gira en un paso. El ángulo de paso de un motor se puede calcular a partir de la siguiente expresión:

Motor paso a paso con reluctancia variable

360

a= El rotor es de acero dulce, cilíndrico y de perfil dentado. El estátor es similar al anterior aunque puede presentar un número superior de bobinas. Cuando se alimenta una de las bobinas del estátor, se crea un campo magnético. En estas condiciones, el rotor se orienta hacia aquella posición en la que la reluctancia que presenta el circuito es mínima. Esta posición será aquella en la que el entrehierro sea el más pequeño posible. Al cambiar la alimentación a otra de las bobinas, el punto de mínima reluctancia también cambia, con lo cual el rotor gira de nuevo.

Figura 4.26. Motor p-p reluctancia variable.

Motor paso a paso híbrido Son una mezcla de los dos anteriores. El rotor está formado por una serie de anillos de acero dulce que tienen en su superficie un número de dientes ligeramente distinto a los del estátor. Dichos anillos están montados sobre un eje que es un imán permanente. A

C

c'

A Figura 4.27. Motor p-p reluctancia híbrido.

n: número de fases o grupo fase del estátor. p: número de polos o dientes del rotor.

En el mercado existe una gran variedad de motores paso a paso con diferentes ángulos de paso o resolución. No obstante los ángulos más comunes están comprendidos entre los 0,720 y los 900.

@]c©Mc 6.2. Características de los motores paso a paso

Características de par del motor paso a paso

A la hora de elegir el motor paso a paso adecuado para nuestra aplicación es necesario determinar las características que debe reunir. Estas características se resumen en las siguientes. Tamaño. Los motores paso a paso están clasificados en función del tamaño de su bastidor que se mide por el diámetro del cuerpo, siendo los diámetros más comunes, 11,17,23,34y42mm. Tensión por fase. Determina el rango de tensión aplicable a cada una de las bobinas del motor. Corriente por fase. Corriente máxima admisible por las bobinas del motor. Potencia. Producto de la tensión y corriente aplicada a las bobinas. Hay que tener en cuenta el numero de bobinas que se conectan al mismo tiempo para no sobrepasar la potencia máxima admisible. Par. El par se determina como la fuerza necesaria que necesita el eje del motor para mover la carga aplicada a dicho eje. En un motor paso a paso podemos hablar de varios tipos de par. - Par de mantenimiento. Es el máximo par de fuerza estable que se puede aplicar a la flecha de un motor estando este alimentado sin producir su rotación continua. - Par de parada. Es el máximo par de fuerza estable que se puede aplicar a la flecha de un motor no alimentado sin producir su rotación continua. - Par de Pul¡-Out. El máximo par de fuerza que puede aplicarse a la flecha de un paso del motor (funcionando a velocidad constante) sin que pierda pasos. - Par de Pul¡-In. El máximo par de fuerza con el que un paso del motor puede arrancar, detenerse e invertir su dirección de rotación sin perder ningún paso.

- Número de fases. Ángulo de paso. 6.3. Funcionamiento del motor paso a paso El funcionamiento del motor paso a paso consiste en hacer pasar una corriente pulsatoria y cíclica por las bobinas de tal manera que se cree un polo de distinto signo para cada bobina y para cada pulsación. De esta forma se produce una fuerza de atracción-repulsión que origina el movimiento del eje. Para entender el control del motor paso a paso es necesario explicar los dos tipos de motores que existen, motores bipolares y motores unipolares. Un segundo paso será el de analizar el número de conectores que posee y como hay que conectarlos. Motores Bipolares Están constituidos por dos bobinas repartidas de forma alternada a lo largo del estátor. Cada una de estas bobinas se denomina fase y forman un número determinado de pares de polos alternados entre las dos bobinas. El número de polos que posee una fase determinará el paso angular del eje del motor. Para que el sistema funcione correctamente los polos deben cambiar con cada una de las pulsaciones aplicadas a las bobinas, esto hace que la corriente por cada bobina tenga que ser de sentido opuesto por cada pulsación aplicada.

El par de un motor paso a paso es proporcional a la intensidad de los campos magnéticos que producen los bobinados Para su variación se puede aumentar o disminuir el número de espiras de los bobinados, o aumentar disminuir la corriente que los atraviesa. Debido a la disposición de las bobinas, el motor bipolar en las mismas condiciones puede soportar más corriente que el motor unipolar lo que supone que éstos poseen un mayor par. MIL

- Motor bípolár Motor unipolar Figura 4.28. Relación par corriente motorp-p.

Háqubnw®©Q© Para conseguir este efecto se va cambiando la polaridad de la bobina en cada una

Circuito para control de un motor bipolar

de las pulsaciones, para ello se utilizan circuitos como el que se representa en la figura.

JJ

V+

re]

uJ

V+

Para el control de un motor bipolar podemos usar el driver comercial L293. Dicho elemento permite controlar un motor bipolar de forma segura.

1

G NO

i.0

V-1

4A

4V

16

15

14

2

3

IA

IV

GND GNO 3V

13

12

3A

11

10

34EN

9

L293 Ii

Figura 4.29. Motor bipolar.

1,2EN

4

5

6

GND GNO 2V

7

8

2A

Vc2

Motores unipolares En este caso, el motor dispone de dos bobinas con una toma intermedia que divide en dos cada una de las bobinas (fases) principales. El funcionamiento se basa en el

•

1293

mismo principio que en el anterior, salvo que ahora el cambio de polaridad se hace :

:

introduciendo la corriente por cada una de las mitades de la fase. Tal y como se muestra en la figura, en cada una de las mitades de las bobinas la corriente circula

1111

en dirección opuesta a la anterior, consiguiendo de esta manera el efecto deseado.

Figura 4.32. Driver L293.

V+

V+ –ij--i

GN

—u--i

Tal y como indica el esqu ema, mediante las entrad as de control 1A(2) y 2A(7) podemos activar o desactivar las salidas 1 Y(3) y 2Y(6) que controlan la bobina A+IA-. Igualmente con las entradas 3A(1 0) y 4A(15) hacemos lo mismo con las salidas 3Y(1 1) y 4y(14) que corresponden a la bobina B+/B-.

GN Figura 4.30. Motor unipolar.

6.4. Control de motores paso a paso

Las entradas de control l as podemos gestionar mediante un PIC.

El control del motor paso a paso se realiza como se ha dicho aplicando un tren de impulsos alternado y de forma secuencia[ entre todas las bobinas que forman el motor. Para ello es necesario conocer la disposición de los terminales del motor y el tipo, para de esta forma determinar la forma de control de rotación del eje

En cuanto al numero y disposición de terminales se

A+

4 hilos

pueden encontrar distintos tipos de motores y los más usados son los de 4 terminales (bipolar), 5 terminales

A com

Motor

A-

Motor

BÇ

—

(unipolar), 6 terminales (unipolar, o bipolar conectando en serie los terminales) y 8 terminales (unipolar, o bipolar conectando en serie los terminales). El motor paso a paso puede controlarse mediante un gran número de secuencias diferentes. Las más

B+ A comi

B-

C

o

A.Motor

6 hilos

A

J

Motor

8 hilos

B :

comunes son las siguientes:

C com2 D

C

CD

Figura 4.31. Terminales motor p-p.

O

Ü©Mc Control de onda

Circuito para control de un motor unipolar

Solo es alimentada una fase en un momento determinado en cada uno de los pulsos Para los motores unipolares podemos usar el driver ULN2803 que no es más que un array de de transistores darlington que pueden proporcionar hasta 500mA en las salidas.

aplicados. Para los motores unipolares esto significa que solo se están utilizando el 25% de los bobinados disponibles, mientras que para los motores bipolares la utilización es del 50 %. Orden

Fase A+

Fase B+

Fase A-

Fase B-

Orden

Fase A

Fase 8

Fase C

Fase D

2 3

3

4

4

01)0 OUT 01)1 01)1 01)1 01)1 01)1 OUT CC

18

Tabla 4.8. Control de onda motor bipolar y Tabla 4.9 Control de onda motor unipolar

17

16

15

14

13 12

11

10

ULN2803

D 1

2

3

4

5

6

7

8

9

IN

IN

IN

16

IN

16

IN

IN

ONO

Control total del paso En este modo se alimentan dos fases al mismo tiempo en un solo pulso de entrada. Para los motores unipolares esto significa que se están usando el 50 % de los bobinados disponibles, mientras que para los motores bipolares la utilización es del 1000/ Orden

Fase A+1 Fase B+

Fase A-

Orden

F

Fase A

Fase B j

Fase C

Fase O

2 3 4

Tabla 4.10. Control total de paso motor bipolar y Tabla 4.11. Control total de paso motor

Control de la mitad del paso En este modo, las secuencias de la onda y el control del paso completo están entremezclados, de manera que se permita que el rotor este alineado en la mitad de cada paso. Para los motores unipolares esto significa que están empleándose el 37,5 % de los bobinados disponibles (como media), mientras que en los motores bipolares el uso alcanza el 75 %

--

--

Tabla 4.12. Control mitad de paso motor bipolar-

Orden

Fase A

Fase B

Fase C

Fase O

3 4 5 6 7

1

8

Tabla 4.13. Control mitad de paso motor unipolar

Figura 4.33. Driver ULN2803.

En el circuito de la figura se aprecia el uso del ULN-2803 para controlar el funcionamiento de un motor unipolar. Las entradas 1-4 serán conectadas al circuito microcontrolador que gestione el funcionamiento del motor.

®©@

65. Servomotores

Significado de «Drive

Un servomotor es un sistema de control de lazo cerrado (servosistema) entre un motor

y un controlador o driver que permite el control total de la velocidad, posición y

La traducción literal

y

más

par (torque) del motor, con una alta precisión. Pueden desarrollar un elevado par a

común de la palabra driver

y a su vez son capaces de mover el eje del motor hacia

es conductor (persona que

velocidades muy pequeñas

conduce).

posiciones angulares específicas. En el sistema de lazo cerrado entre el motor valores del propio motor velocidad

y

y

y el driver existen sensores que toman

de su eje e informan continuamente de la posición,

corriente, al driver. Existen varios tipos de sensores siendo los más

relevantes los sensores de efecto Hall

y

los encoder. El driver, por su parte, realiza

las operaciones oportunas con los datos obtenidos del motor a través de los sensores

y

con las consignas iniciales de entrada que proporciona un sistema de

No obstante, el significado de esta palabra en tecnologia puede adoptar el significado de controlador. También hay que diferenciar el uso

y

contexto en el que

control superior como puede ser un PI-C. A partir de esta información, el driver

estemos hablando. Así, si

y

nos referimos en términos

genera las señales adecuadas para hacer girar al motor con el sentido, velocidad par adecuado a cada momento.

informáticos, driver tomará el significado de controla-

Servomotor Controlador

Driver

dor de dispositivo, que no

Encoder

Motor

es más que un pequeño pro....

PL V^

operativo para comunicarse

e

con los periféricos. Si hablamos en términos de automatización driver

-

se

industrial,

refiere

a

un

controlador que es capaz

Figura 4.34. Servomotor en bloques,

por si solo de controlar el El eje del motor se puede mover a una posición comprendida entre los 0

y

3600

sitivo eléctrico, electrónico o

y el driver está

electromecánico, generando

)

tipo de posicionamiento se le conoce como posicionamiento absoluto

controlado por un potenciómetro de posición. Cuando el eje del motor puede dar

la señal apropiada de salida

y el

a partir de unas señales de

vueltas completas de forma ilimitada se dice que el posicionamiento es relativo

entrada.

control se realiza mediante encoders. -

Podemos decir que los elementos más importantes de un servomotor son el motor, el driver y los sensores, principalmente el encoder.

Ka Motor Es el dispositivo más importante ya que es el encargado de proporcionar el movimiento del eje. Determina las características mecánicas del servo como el tipo de posición (absoluta o relativa), par de fuerza (torque) o velocidad. Pueden ser de corriente continua o corriente -

funcionamiento de un dispo-

angulares (generalmente de O a 180 1 sin llegar a realizar el giro completo. A este

alterna, lo que condiciona el tipo de driver.

Figura 4.35. Servomotor (Omron).

@©©

Driver El driver por su parte está compuesto por dispositivos electrónicos programables que se encargarán de recoger las señales procedentes de los sensores o de un controlador de nivel superior (PLC), y realizar las operaciones oportunas generando las señales de control que se envían al motor.

fi

El driver no solo proporciona las señales de control sino que además genera las señales de fuerza que alimentan al motor para que éste se desplace conforme a los parámetros deseados. Dependiendo del tipo de motor usado, CC o CA, el driver de control es diferente para uno u otro. Así, para motores de CA el driver proporciona una señal de corriente alterna de frecuencia determinada y de amplitud apropiada. Para motores de CC el driver proporciona un tren de impulsos de frecuencia variable pero siempre en el mismo sentido.

Figura 4.36 Driver Omron

Sensores Están acoplados al motor y su misión es la de medir continuamente los parámetros de corriente, velocidad y posición. El sensor más importante es el encoder, que mide continuamente la velocidad y posición del eje del motor, aunque en motores de pequeño tamaño el encoder es sustituido por sensores de efecto Hall que además de medirla posición pueden medir corrientes. Encoder Es un dispositivo electro-mecánico que convierte un movimiento de rotación en una señal eléctrica con una determinada forma de onda. Se clasifican según el tipo de lectura, por contacto, óptico, magnético o por láser; y por el tipo de señal que proporcionan, incremental (proporcionan un pulso por cada variación del eje), o absoluto (proporcionan un código binario porcada posición del eje del motor). El servomotor funciona como un sistema de control continuo que mueve el eje de un motor con un movimiento preciso y con la velocidad adecuada a cada aplicación. Podemos encontrar servomotores en sistemas industriales donde se requiere un elevado par una precisión elevada en el movimiento y posición del eje. También es posible encontrar servomotores más pequeños como los que se utilizan en robótica. Entre un tipo y otro existen diferencias significativas como por ejemplo el tamaño, la potencia o el tipo de motor (CA ó CC), hecho éste que condiciona el tipo de driver a utilizar.

JL

Figura 4.37. Encoder Omron.

Características del servomotor Las características más importantes a tener en cuenta a la hora de elegir el tipo de motor son: - Tipo y tensión de alimentación. CA (Monofásica o trifásica), ó CC. - Potencia eléctrica. - Potencia mecánica. Paro torque (Nm). Tipo de posicionamiento. Absoluto o relativo. - Velocidad en r.p.m. - Dispositivo de medida. - Driver. -

@@©

6.6. Servomotor industrial

Efecto Hall

En el servomotor industrial, el conjunto de motor y driver se encuentra en bloques o dispositivos independientes conectados entre si por medio de las conexiones eléctricas oportunas. De forma genérica podemos decir que el sistema de un servomotor industrial está compuesto por un motor, un sistema de medida compuesto por uno o varios sensores, un driver o controlador y un autómata programable. Generalmente, el motor suele ser de corriente alterna lo que implica que el driver incluya sistemas electrónicos de potencia o conmutación. El esquema general del servomotor industrial se muestra en la figura y en ella se puede ver como el driver incluye un módulo inversor que proporciona la señal alterna necesaria para que el motor funcione correctamente y según las necesidades de cada aplicación y momento.

Es un tipo de sensor muy utilizado tanto en los servomotores como en los motores paso a paso. Gracias al efecto Hall se utiliza tanto para medir corrientes como para la medida de la posición del eje. El efecto Hall se puede resumir en la propiedad que tiene un conductor o semiconductor, recorrido por una corriente, de generar un campo eléctrico entre sus extremos cuando se aproxima a un campo magnético perpendicular. Este campo eléctrico genera una tensión proporcional al producto de la fuerza del campo por la corriente que atraviesa el conductor. Los sensores Hall son muy utilizados en la industria para el control de posicionamiento ya sea en sistemas de

En este caso, el driver constituye un verdadero convertidor de

posición lineales o circulares.

potencia compuesto por varios circuitos que se diferencian entre si por su constitución y utilidad.

Sensor tipo Hall para medida de la posición Driver

Motor En este caso el sensor Hall se instala perpendicularmente a un disco magnético perforado acoplado al eje del motor. Cuando este gira, el sensor Hall va proporcionando pulsos de tensión gracias a los campos magnéticos del disco. Estos pulsos son

LW -*

a

a [el

-

enviados al sistema de control quien los procesa adecuadamente.

Figura 4.38. Servomotor industrial.

Así, a la entrada del driver encontramos un rectificador que transforma la corriente alterna de entrada en corriente continua. Esta corriente continua alimenta a los circuitos de control y medida. En la etapa de potencia o salida existirá un inversor que por medio de modulaciones complejas de ancho de pulso (PWM), genera una

Figura 4.39. Sensor de posición Hall

Sensor tipo Hall para medida de la corriente

señal alterna de potencia y características eléctricas necesarias para atacar al motor hacerlo funcionar de forma correcta Como se ha dicho, el sistema de un servomotor industrial es un sistema de lazo cerrado donde todos sus componentes principales son componentes o dispositivos discretos que tienen que ser conectados externamente. Es por ello, por lo que existen infinidad de

El dispositivo viene encapsulado y en su interior se integra un dispositivo magnético y un semiconductor perpendicular a éste, cuando la corriente atraviesa al semiconductor se genera por efecto Hall una tensión proporcional a la corriente que es medida por el sistema.

tipos de motores, drivers y encoders que se pueden elegir de forma independiente en función de la aplicación y el tipo de funcionamiento que tendrá el servomotor. Es importante señalar que el ingeniero o técnico que tenga la - necesidad de diseñar o montar un sistema de este tipo tiene que buscar y elegir los componentes más adecuados y que puedan ser fácilmente interconectables entre sí.

Li Figura 4.40. Sensor de corriente Hall.

®1©1T© 6.7. Servomotor para robótica

Encoder

Es una variante del motor paso a paso y está constituido por un circuito de control que gobierna el sistema, un sistema reductor de velocidad y multiplicador de fuerza,

Encoder incremental

y un motor de corriente continua.

Proporcionan un pulso por

Tiene la capacidad de lograr y mantener una posición, que se le indica por medio de una señal de control. El recorrido del eje de salida es de 1800 en la mayoría de ellos,

cada variación del eje.

pero puede ser fácilmente modificado para tener un recorrido libre de 360 0 y actuar así como un motor. —

sores que permiten la deter-

Disponen de dos o tres senminación de la dirección del movimiento de rotación (dos sensores) y una posición de referencia (tres sensores). Pueden medir la velocidad de rotación así como la posición angular del eje para más de una revolución. Encoder absoluto

Figura 4.41. Servomotor miniatura.

Proporcionan una palabra A diferencia del servomotor industrial, este tipo de servos se presentan en un solo

binaria por cada posición del

bloque de tamaño reducido donde se encuentran incluidos todos los sistemas

eje, siendo la resolución

mencionados anteriormente, circuito de control, motor, encoder y sistema reductor.

igual al número de bits de salida. Por ello, el sensor ab-

Servomotor

soluto divide la circunferencia en distintas porciones, a V+

cada una de las cuales se le

GND Tren Impulsos

asigna un código binario. Generalmente no se utiliza el código binario natural, sino que se utiliza un código binaFigura 4.42 Bloques sensor miniatura

rio con una codificación de-

El servo controla su posición mediante un potenciómetro interno (encoder) que va

terminada de tal manera que

conectado mecánicamente al eje de salida. El valor que adquiere el potenciómetro

se puedan evitar los errores

en todo momento controla la salida del modulador de anchura de pulsos (PWM)

que se pueden producir al

interno para así compararlo con la señal PWM externa aplicada a la entrada de

pasar de una posición a otra.

control del servo. Mediante un sistema diferencial se comparan ambas señales y en el caso de existir diferencia, modificar la posición del eje de salida hasta que los valores se igualen y el servo pare en la posición indicada. En esta posición de reposo el motor del servo deja de consumir corriente y tan solo circula una pequeña corriente hasta el circuito interno de control, si forzamos el servo T

(moviendo el eje de salida con la mano) en

T0t

este momento el control diferencial interno lo detecta y envía la corriente necesaria al motor para corregir la posición. El control del servo

18O0

Modulación de Ancho de Pulso

Movimiento dei Eje dei Servo

se hace a través de la aplicación de un tren de pulsos que harán que el circuito de control diferencial interno ponga al eje del servo en la posición indicada por la anchura del pulso.

00

1.

Figura 4.43. Control del servo

m

V .PW1111 ONO

111

mÉqu'únsi

®©©

En la siguiente tabla están indicados los valores de control y disposición de cables

Conexión del servomotor

de varias marcas que comercializan servos. Duración del Pulso T00 (rns)

-

Fabricante FUTABA HITECH GRAUPNER MULTIPLEX ROBBE SIMPROP 1

Min 0,9 0,9 0,8 1,05 0,65 1,2

Medio 1,5 1,5 1,5 1,6 1,3 1,7 1

Max 2,1 21 2,2 2,15 1,95 2,2

Frecuencia Hz 50 50 50 40 1 50 50

Color de Cables

V+ Rojo Rojo Rojo Rojo Rojo Rojo

PWM Blanco Amarillo Naranja Amarillo Blanco Negro

GND Negro Negro Marrón Negro Negro Azul

Tabla 4.14. Tipos de servas miniatura. Para entender mejor el funcionamiento del servo imaginemos que tenemos un servo cuyo pulso t varía entre 1 ms como valor mínimo y 2ms como valor máximo siendo la frecuencia de 50Hz. Si aplicamos un tren de impulsos de 20ms de duración (50Hz) donde el pulso t 0, sea de 1 ms y el tiempo de reposo t 0, de 19ms, el eje del motor se

El servomotor, independientemente del fabricante, posee únicamente tres líneas de entrada: GND o masa, V+ alimentación positiva, y entrada de control PWM. La masa irá conectada al negativo de la fuente de alimentación, el V+ al positivo de la misma y la entrada de control PWM, recibirá un tren de impulsos de duración y frecuencia

situará a la derecha del plano horizontal, en la posición inicial que corresponde a 00

determinados que van a

de inclinación.

depender del tipo de servo y fabricante.

Si aplicamos un pulso de 1 ,5ms y mantenemos la frecuencia (t 0 18,5ms), el eje del motor se sitúa en su posición central que corresponde a un ángulo de 45 ° respecto de la horizontal. Por último, si aplicamos un pulso de 2ms de duración y con la misma frecuencia, el eje se sitúa hacia la izquierda del plano recorriendo 180 ° desde su posición inicial. Para valores de posición intermedios entre los 0 ° y los 180° solo sería necesario variar la duración del pulso t 0 desde 1 ms hasta 2ms manteniendo la frecuencia de 50 Hz.

Mi:

18O0

00

Eje situado en el punto O Figura 4.45. Conexión de servo.

1 ,5ms 18,5ms

180°

00

Pulso de 1 ,5ms y frecuencia de 50Hz Eje situado en el punto intermedio de su recorrido

2ms

l8ms

1800

00

2Oms Pulso de 2ms y frecuencia de 50Hz

Eje situado en el punto opuesto del punto O

Figura 4.44. Ejemplo de control del servo.

-.

@cMc LWI

7 Motor universa!

Aplicaciones del motor universal

El motor universal es un tipo de motor que puede funcionar tanto en corriente continua como en corriente alterna, de ahí su nombre de "universal", aunque también se les conoce como motor monofásico serie. Se utilizan principalmente en aplicaciones de baja potencia donde además se requieren velocidades de giro elevadas. Son idóneos para pequeños electrodomésticos como batidoras, molinillos, picadoras, etc., así como para pequeñas máquinas herramientas como taladros, lijadoras, o sierras.

Principalmente los motores universales se utilizan en dispositivos pequeños de poca potencia y elevadas velocidades como pueden ser pequeños electrodomésticos, batidoras, picadoras, etc., Dispositivos que requieren de una elevada velocidad.

7.1. Constitución y funcionamiento Básicamente, un motor universal es un motor de corriente continua de excitación serie que está diseñado para ser conectado a una fuente de alimentación de CA. Está constituido por una bobina inductora situada en el estátor y una bobina de inducido alojada en el rotor. Ambas bobinas están conectadas en serie tal y como se representa en el esquema de la figura. Para la conexión del inducido se utiliza un par de escobillas que permiten la conexión aun estando este en movimiento giratorio. Inducido

/

p Figura 4.47. Motor universal.

+

Vcc Li Vca N Figura 4.46. Conexión motor universal.

Cuando al motor de excitación serie lo alimentamos con una corriente continua, se crea un campo magnético fijo en el estátor cuyas lineas de fuerza cortan a las espiras de la bobina del inducido situada en el rotor. Esta misma corriente que circula por el inductor circula por el inducido al mismo tiempo,o de tal manera que se crea a su vez un campo magnético que interactúa con el de inducido (reacción de inducido). En este momento, se produce el giro y se mantiene de forma indefinida ya que la corriente circula en el mismo sentido por las dos bobinas y los campos magnéticos interactúan haciendo que el rotor gire siempre en el mismo sentido. Para cambiar el sentido de giro tendríamos que invertir la corriente en una sola de las bobinas de tal manera que uno de los flujos magnéticos cambiara de dirección invirtiendo portanto el sentido de giro del rotor. Para una alimentación de corriente alterna, en el primer semiciclo (semiciclo positivo), la corriente atraviesa las bobinas en la misma dirección creando dos campos magnéticos con sentidos determinados y perpendiculares entre si. De esta manera y por reacción del inducido se produce el giro del eje en un determinado sentido.

Por otro lado, los motores universales también se utilizan en máquinas herramientas donde se requiere un par elevado y velocidades altas. Es el caso de taladros, caladoras, cepilladoras, etc.

_j @©©

Para el semiciclo negativo los flujos de los campos magnéticos cambian de sentido, pero el efecto sobre el eje es el mismo que con el semiperiodo positivo ya que la influencia de los dos flujos sobre el eje sigue siendo la misma, la reacción del inducido hace que el eje del motor sigua moviéndose en la misma dirección. En general, el motor universal ya sea alimentado con CC o con CA, tiene un par de arranque elevado y tiende a la aceleración cuando se encuentra sin carga (funcionamiento en vacío), no obstante, podemos controlar su velocidad a par constante variando la corriente que circula por los bobinados lo que se puede conseguir por varios métodos: Por reóstato en serie con los bobinados. Por conmutación de resistencias. Control electrónico. En el motor universal la velocidad dada para un voltaje en corriente alterna es inferior que la que se obtendría si se aplica el mismo voltaje pero en corriente continua. Por ello, hay herramientas como taladros que para bajar las revoluciones del motor le intercalan un rectificador de media onda.

8 Máquinas e!éctrcas rotativas de corriente alterna Principalmente las máquinas rotativas de corriente alterna se dividen en dos grandes grupos, máquinas síncronas y máquinas asíncronas. Sus características y funcionamiento se diferencian principalmente por su forma constructiva. Aunque ambos tipos basan su funcionamiento en un campo magnético giratorio, la diferencia principal entre ambas es la velocidad de giro del eje del motor con respecto a dicho campo magnético. Así, en las máquinas asíncronas el eje del rotor gira más lentamente que el campo magnético giratorio, se dice que el giro del rotor es asíncrono y existe un deslizamiento. UMIL

Máquina síncrona

.n=nl=

n

60f

Máquina asíncrona

P n~— c PUT

Figura 5.31. Dispositivos de disparo.

-

121

J@ EP©© 1 -\

8.1 Circuito básico de disparo del tiristor en CC Para disparar al tiristor ya sea en CC como en CA, es necesario que esté en estado de bloqueo directo, V AC >O y que apliquemos un pulso positivo en la puerta. Con el circuito

Encapsulados para dispositivos de disparo

D0-35

de la figura podemos disparar al tiristor en CC y para ello las resistencias variables P. y P, en un principio estarán en sus valores mínimos. En el circuito podemos ver que el tiristor está en estado de bloqueo directo. Así, si aumentamos el valor de P. hasta conseguirla tensión de disparo V G en sus extremos y pulsamos S., la tensión disponible

Figura 5.33. Encapsulado 00-35.

en P. se aplica por igual a la puerta del tiristor. En ese momento el tiristor se desbloquea y comienza a conducir.

T0-18

En el estado de conducción y con una corriente continua de alimentación, el tiristor podría estar en estas condiciones indefinidamente. Para poder bloquearlo de nuevo sería necesario cumplir con una de las dos opciones siguientes. Disminuir la corriente de la carga por debajo de la corriente de mantenimiento del tiristor 'H' o hacer la tensión ánodo-cátodo menor que cero (V AC 0 y

1+

Figura 6.2 / Cuadrante.

v>0.

Cuadrante H. Funcionamiento como generador o freno. Giro a derecha. Intensidad negativa, tensión positiva.

vTvT$

V+

II Generador/Freno Derecha

4

V Figura 6.6. Generador

Figura 6.3. II Cuadrante.

Cuadrante III. Funcionamietno como motor. Giro a izquierda. Intensidad y tensión

No obstante en algunos casos el generador puede absorber energía, esto implica que 10.

negativas.

III

9v

Motor Izquierda

®o

En el caso de la carga, en la mayoría de los casos consume corriente y para su representación en un circuito hacemos que la corriente entre por el terminal positivo. Tenemos l>OyV>O.

y-

Figura 6.4. III Cuadrante.

Cuadrante IV. Funcionamiento como generador o freno. Giro a izquierda Intensidad positiva, tensión negativa.

V y,

', +

1+

Iv Generador/Freno Izquierda

yFigura 6.5. IV Cuadrante.

Figura 6.7. Carga.

©r©©

@©©©

Estas cuatro combinaciones de V-1 tienen su correspondencia en el diagrama ParVelocidad del motor, ya que este al recibir tensiones y corrientes en ambos sentidos, puede variar su funcionamiento y convertirse en motor de arrastre en ambos sentidos y con velocidad variable o generador o freno en ambos sentidos y con velocidad variable. Los accionamientos eléctricos que funcionan en dos o cuatro cuadrantes, son los que tienen previsto frenado con recuperación de energía, en este caso el motor pasa a generador suministrando f.c.e.m. que se absorbe en unas resistencias de disipación. Que un accionamiento pueda funcionar en más de un cuadrante va a depender de la naturaleza del mismo y del tipo de convertidor que está asociado a éste.

4 Reguladores de potencia en corriente alterna.

Representación en cuatro cuadrantes Como se ha visto, una máquina eléctrica rotativa puede funcionar de cuatro formas distintas, como generador o motor y en ambos sentidos de giro (fig6.1.). Esto implica que el convertidor asociado a la máquina debe actuar y por tanto proporcionar a la máquina las corrientes y tensiones apropiadas para cada caso, cediendo o absorbiendo energía.

Convertidores CA/CA Estos circuitos están concebidos para entregar a la carga una porción de la señal alternada de alimentación de forma directa y que puede estar comprendida entre un todo o nada, actuando como un relé de estado sólido, o una proporción de esta, actuando como un regulador de potencia en corriente alterna. Estos circuitos no se deben confundir con los variadores de frecuencia que a su vez son convertidores CA/CA pero con la diferencia que los variadores son dispositivos más complejos que están compuestos por varias etapas o circuitos de potencia. En este caso nos estamos refiriendo a circuitos que convierten de forma directa una señal de corriente alterna a otra del mismo tipo yfrecuencia, pero con características de tensión eficaz distintas.

vi Out

Figura 6.8. Convertidor CA-CA.

Estos circuitos normalmente están compuestos por tíristores conectados en antiparalelo o por triacs. Pueden ser monofásicos o trifásicos dependiendo de la naturaleza de la carga a controlar. Generalmente se utilizan para el control de cargas resistivas, en arranque de motores o en el control de iluminación. Un circuito de estas características es el relé de estado sólido cuyo funcionamiento y características de control se verán más adelante.

5 Rectificadores u convertidores CA/CC El rectificador electrónico es aquel que convierte la potencia eléctrica tomada de una red de suministro eléctrico en alterna, de tensión y frecuencia constante, y la transforma a una fuente de potencia eléctrica de naturaleza continua.

Para explicar ese concepto se recurre a la representación gráfica en el plano de la tensión y, y corriente 1, de tal manera que estas toman valores positivos y negativos en función del cuadrante en el que nos situemos. El funcionamiento de cualquier máquina eléctrica asociada a un convertidor de potencia se puede esquematizar por medio de los cuadrantes.

ds

©©1

Los rectificadores los podemos clasificar en función del número de fases, teniendo rectificadores monofásicos, trifásicos o polifásicos. Igualmente y dependiendo del tipo de rectificación tenemos rectificadores de media onda y de onda completa. Por último podemos decir que existe una nueva clasificación que determina la funcionalidad del rectificador y que viene definida por la forma y el tipo de control de los elementos rectificadores, en este caso también tenemos dos variantes: Rectificadores no controlados. Suministran en su salida una fuente de tensión continua prácticamente constante. Rectificadores controlados. Suministran una tensión continua de valor regulable.

139 Aplicaciones de los convertidores AC-AC Los convertidores CA-CA se pueden considerar como circuitos incluidos en dispositivos complejos o como dispositivos autónomos. Los convertidores de potencia CA-CA más comunes son:

No Controlado Transformadores. No son dispositivos electrónicos pero son los más básicos. kTA

Relés de estado sólido.

Suelen poner a la salida la misma señal de la entrada al activarse la señal de control Controlado

VI

Regulador de potencia.

¿Out

Recorta la onda senoidal en sus dos semiperiodos proporcionando a la carga la potencia adecuada. Arrancador progresivo. Va

Figura 6.9. Convertidor CA-CC. 5.1. Constitución de los rectificadores Rectificar una señal alterna senoidal consiste en obtener una tensión unidireccional (continua) de valor medio determinado. Este valor podrá ser negativo o positivo según las necesidades de la carga. Los rectificadores, por tanto, son circuitos diseñados para rectificar la señal alterna. Su componente principal es el diodo, tanto por su naturaleza como por sus características de conmutación. No obstante, la utilización de otros tipos de componentes de potencia son usados para la fabricación de rectificadores más complejos llamados rectificadores controlados. Un sistema rectificador puede comprender las siguientes partes: Transformador de alimentación. Proporciona tensiones más pequeñas de la red de alimentación, aunque no siempre es necesario. El uso del transformador se justifica por la necesidad, en algunas aplicaciones del ajuste de tensiones para obtener la tensión de salida deseada. Conjunto rectificador. Formado por dispositivos semiconductores tales como diodos ytiristores. Filtro. Reduce el factor de ondulación de la tensión rectificada. Se usa en aplicaciones donde la señal a obtener tiene que serlo más constante posible.

entregando a la carga la señal senoidal recortada hasta conseguir toda la señal (potencia) transcurrido un tiempo determinado. Variador de frecuencia.

Entrega a la carga una señal senoidal de amplitud y frecuencia distinta a la de alimentación.

©ft© ® © Circuitos de protección y maniobra. Están destinados a proteger a los semiconductores que forman el rectificador de corrientes y tensiones inversas elevadas, así como protecciones contra la elevada temperatura.

5.2. Clasificación Los rectificadores se pueden clasificar en función de dos parámetros, por el tipo de señal obtenida a su salida, señal de tensión fija o variable, y por la naturaleza de la señal de alimentación de entrada al rectificador. Así, los rectificadores los podemos clasificar en: Rectificadores controlados. Formados básicamente por tiristores. Suministran una señal continua que puede ser variable tanto en el cuadrante positivo como en el negativo. Rectificadores no controlados. El componente principal es el diodo, y proporcionan una tensión continua de valor fijo a la salida, que solo se ve afectada por el tipo de carga aplicada. Rectificadores monofásicos. Utilizan señales de alimentación monofásicas. Rectificadores polifásicos. Principalmente se utilizan alimentaciones trifásicas in-

E©© cJ

Aplicaciones de los rectificadores

Los rectificadores o convertidores CA-CC se encuentran en numerosas aplicaciones ya sea como circuitos electrónicos que forman parte de otros circuitos más complejos o como dispositivos independientes o discretos. Sea cual sea su formato los rectificadores los podemos encontrar en numerosos dispositivos y aplicaciones. - Alimentación de máquinas de corriente continua.

dustriales de tensión y frecuencia constantes. -Fuentes de alimentación. Independientemente del tipo de rectificador de los vistos anteriormente, los rectificadores se pueden clasificar según su constitución: Rectificadores de media onda. Por cada periodo de la señal de alimentación de

entrada al rectificador, en la salida obtenemos un solo semiciclo, ya sea positivo o negativo. Rectificadores de doble onda u onda completa. Por cada periodo de la señal de alimentación de entrada al rectificador, en la salida obtenemos dos semiciclos positivos o negativos.

6 Rectificadores monofásicos de tensión fija 6.1. Rectificador monofásico de media onda El rectificador monofásico de media onda es el rectificador más sencillo. Está compuesto por un solo diodo que deja pasar únicamente al semiperiodo positivo de la señal de entrada a la carga. El diodo está conectado en serie con la carga y solo conduce cuando el ánodo es más positivo que el cátodo. Di

VI

111

yo

Figura 6.10. Rectificador monofásico de media onda.

- Variadores de frecuencia. - Transporte de energía eléctrica en corriente continua.

©©© ®@©C©

c1@

141

El nivel de tensión continua en la carga va a depender de la amplitud de la tensión de alimentación proporcionada por el secundario del transformador, o directamente de la tensión de alimentación de red. Por tanto, los valores de tensión media y eficaz en la carga, vienen dados por las siguientes expresiones.

Señal rectificada monofásica de media onda

Las señales obtenidas en un rectificador monofásico de media onda son las que se muestran en la figura.

Tensión media en la carga.

En ella podemos ver la señal de alimentación V,, y la de salida V0

V y = --=O318'V it .-

.

Tensión eficaz en la carga.

y,

r\J 6.2. Rectificador monofásico de doble onda V.

Los rectificadores de onda completa, mejoran las características de los de media onda, ya que son capaces de rectificar tanto el semiciclo positivo como el negativo de la onda de entrada. Existen dos formas de rectificadores de onda completa, el de transformador con toma intermedia y el puente de diodos. Ambos consisten básicamente en dos rectificadores de media onda desfasados 1800 . En el circuito de transformador con toma intermedia, éste nos proporciona una señal de alimentación desfasada 180° en los dos terminales exteriores que comparten el terminal común central. A cada uno de estos terminales se conectan los diodos rectificadores D, y 0 2 , formando dos rectificadores de media onda desfasados 180 1

Figura 6.12. Señal media onda monofás/ca.

.

El resultado en la carga es la suma de las corrientes aportadas por cada rectificador 0, conduce en el semiperiodo positivo y D, en el negativo, obteniendo una rectificación de onda completa.

xz

vt\j

1

Se puede observar que desaparece el semiciclo negativo aunque se mantiene la frecuencia, que en este caso es de 50Hz. 1 f=—= t

VO

Figura 6.11. Rectificador doble onda con transformador.

El rectificador monofásico en puente de diodos se puede ver en la figura 6.13. En ésta se pueden apreciar los cuatro diodos que forman el puente, 0, y D 3 se puede decir que están conectados en serie a través de la carga al igual que D, y D 4 pero esta vez con distinta polarización. Este tipo de conexión permite que los diodos D. y D, conduzcanen el semiciclo positivo, estando O, y D 4 polarizados inversamente mientras que en el semiciclo negativo ocurre lo contrario, 0, y 0 4 conducen al estar polarizados directamente, y D. y D 3 quedarían bloqueados. De esta forma se consigue la rectificación de los dos semiperiodos de la onda al igual que en circuito con transformador de toma media.

1 20 m

=50Hz

I> t

©r©1kU© ®©©© jJ

1

D4

Di

D3

D2

Señal rectificada monofásica de doble onda

v_

En este caso las señales obtenidas en una carga resistiva nos muestran como los dos semiperiodos de la señal senoidal de entrada están por encima de la linea de cero, lo que indica que ambos semiciclos son positivos.

v0V'/'\

Figura 6.13. Rectificador monofásico en puente.

Las ventajas que presenta el rectificador en puente de diodos con respecto al rectificador con toma media, son que los diodos soportan la mitad de la tensión inversa y que no se necesita el transformador de toma intermedia. Por el contrario, hay que utilizar un par de diodos más y la caída de tensión directa es el doble ya que quedan dos diodos conectados directamente.

y

Tanto en un caso como en otro, los valores de tensión media como eficaz son los siguientes.

Tensión media en la carga 2Om

=2

= 0,636 V

VCe

Tensión eficaz en la carga.

V_ =

- = 0,707 V

7 Rectificador trifásico de tensión fija 7.1. Rectificador trifásico de media onda Para niveles de potencia elevados, se utilizan los rectificadores polifásicos que ofrecen una mayor potencia y un menor rizado en la salida. Los más difundidos son los trifásicos por ser la forma de distribución de la energía eléctrica más usada. Un rectificador trifásico estará compuesto por un transformador trifásico o grupo de ellos con neutro accesible, aunque en la práctica no es del todo necesario, y un número de diodos igual al número de fases. El rectificador de media onda trifásico que aparece en la figura, consta de un transformador con neutro accesible en el que se ha conectado un diodo a cada una de las fases de salida. Los cátodos de los diodos quedan conectados a un extremo de la carga y el neutro del transformador al otro extremo de la carga. El efecto de tener tres diodos con sus cátodos conectados en un punto común, es que en cualquier instante de tiempo el diodo con el mayor voltaje aplicado conducirá, mientras que los otros dos quedarán polarizados inversamente.

Figura 6.14. Señal doble onda monofásica.

En este caso la frecuencia se dobla ya que el semiciclo negativo no desaparece sino que se une al positivo convirtiéndose en una señal pulsatoria de lOms de periodo y con una frecuencia de 100Hz. 1 t

f=—=

1 lOms

lOOHz

©©Q©

@

Al tratarse de un sistema trifásico, las tensiones proporcionadas por el transformador están desfasadas 1800, esto provoca que la intersección de las mismas se

Rectificadores mono.. fásicos integrados

produzca con un desfase de 120 1 , o sea en un tercio del periodo total, tal y como indica la figura. La forma de onda que se entrega a la carga es un rizado con una frecuencia de 151,1 Hz y que presenta por tanto un bajo valor de ondulación. o. T

VL

T2

L2

VL2

V. T3

L3

Generalmente los rectificadores se realizan con diodos discretos, en el caso de rectificadores no controlados, y de tiristores en el caso de rectificadores controlados. No obstante, existe la posibilidad de utilizar dispositivos integrados que implementan puentes de diodos de mayor o menor potencia. Estos puentes pueden ser alimentados con una señal monofásica o trifásica obteniendo a la salida una señal continua.

VL3

N •1'

Figura 6.15. Rectificador trifásico de media onda.

El valor de las tensiones media y eficaz quedan. \\

Tensión media en la carga.

V

Trifásico

=

.V .sen(j=0827.k ic

Tensión eficaz en la carga.

r

v

COS wt

"3

di

=0 84068 V

3

7.2. Rectificador trifásico de doble onda.

Monofásico

Figura 6.16. Símbolo puente rectificador.

Los rectificadores trifásicos de onda completa se utilizan en aplicaciones de alta potencia. Están constituidos por seis diodos, dos para cada una de las fases, tal y como se muestra en la figura.

7

1'

La naturaleza de la señal trifásica y la disposición de los diodos, hacen que la señal entregada en la carga, sea un rizado con seis pulsos de duración Tr/3, siendo la secuencia de conducción de los diodos la siguiente:

Figura 6.17. Rectificadores integrados.

D 3-D 5 ; D 5-D,; D,-D 5 ; D 6-D 2 ; D 2-D 4 ; D 4 -D 3

ds Puente rectificador monofásico T

L

Encapsulado G13PC1 506(W) Características eléctricas

Tí

L-2

V. vyVyyyyy\

V RRM :

600V

VRMS : 420V

VL2

VF: 1,1V T

L3

I AV :

iSA

l F3

: 300A

IRRU.

5pA

Características de Figura 6.18. Rectificador trifásico de doble onda.

conmutación

Los valores de tensión media y eficaz en la carga, vienen dados por: 1 2t: 374 A2s Tensión media en la carga. Características térmicas '

cos 0)1 )d,

= 2 6

=

= 1.654

Tj=Tstg: -55 a +150°C

- Tensión eficaz en la carga.

Vrnt

F 3(V

= 2ii 6

-cos (O1)íll

¿2 +

4n

1, 6554-

GBPC(W) WLre

8 Tabla comparativa de los rectificadores no controlados Tipo de rectificador

N° de diodos

Monofásico de media onda

1

Monofásico de doble onda

2 (Con trafo de toma media), 4 en puente

Trifásico de media onda Trifásico de doble onda

6

Tensión media

Tensión eficaz

1

0,318Vmax

0,5V max

2

0,636Vmax

0,707Vmax

3

0,827Vmax

0,84068Vryiax

6

1 ,654Vmax

1 ,6554Vmax

Pulsos de

salida

Tabla. 6. 1. Comparativa de rectificadores monofásicos.

9 Rectificadores controlados de tensión variable En los rectificadores no controlados el componente principal es el diodo, que es un elemento que no tiene posibilidad de control.

GBPc Termina¡

Figura 6.19. Patillaje de puente GBPC 1506.

-

-

c©©

®Ü®©Q©© jJ@

En los rectificadores controlados el elemento rectificador pasa a ser el tiristor, que si se puede controlar parcialmente. La tipología de los rectificadores controlados es idéntica a la de los no controlados, salvo por el elemento rectificador. Pero aunque la tipología es la misma en ambos tipos, las ondas de tensión de salida son totalmente distintas. Por medio de la conmutación controlada de los tiristores, se consiguen tensiones de salida variables, creando rectificadores con mejores prestaciones.

2

Como se ha estudiado anteriormente, para que el tiristor pase a estado de conducción es necesario que la tensión de ánodo sea superior a la de cátodo y además que se produzca un disparo en su terminal de puerta. El pulso de disparo se puede dar con un ángulo de desfase a, entre O y 1800 . De esta manera se puede controlar el valor medio de la tensión en la carga.

2 2 2 2

Señal rectificada trifásica de media onda

Señal rectificada trifásica de doble onda

Partiendo de una señal trifásica de 50Hz, la sucesión de fases se va produciendo cada 120° eléctricos que equivalen a 6,6ms.

Al igual que en el caso anterior y para una señal trifásica de 50Hz, las fases se van sucediendo cada 6,6ms.

2 2 2 2 2 2

Así las señales de las sucesivas fases se van superponiendo cada 6,6ms lo que provoca en el rectificador una señal de salida continua con una componente periódica de valorT=6,6ms.

Pero en este caso la señal rectificada es producto del cruce entre la sucesión de los ciclos positivos y negativos de cada fase. Esto se produce cada 3,3ms lo que supone una señal continua a la salida con un pequeño rizado de 303Hz de frecuencia.

2 2

VI 66ms

2 2 t

2

t

2 Vi

6,6ms

6,6ms

6,6ms

O

-

2 2

t

v0.t

VI

2 6,6ms

6,6ms

6,6me

2

t

2 1

2 2 -.'

'2 2 '2

t

o151Hz

6'6,ns Figura 6.21. Señal doble onda trifásica.

Figura 6.20. Señal media onda trifásica.

© ©íU© ®©©©

Para la comprensión de este tipo de circuitos, estudiaremos los dos casos más

Señal rectificada monofásica de doble onda controlada

utilizados y representativos, que son los rectificadores controlados de doble onda monofásico y trifásico. Hay que decir que el funcionamiento de los rectificadores controlados de media onda, es idéntico a los de onda completa, salvo que en los de

En los rectificadores controlados podemos variar la potencia entregada a la carga variando el tiempo de disparo de los transistores.

media onda solo se controla el semiciclo positivo, mientras que en los de onda completa se pueden controlarambos semiciclos. 9.1. Rectificador controlado de doble onda monofásico Como se ha dicho anteriormente, en este circuito los diodos se han sustituido por tiristores, que van a controlar el valor de la tensión en la carga mediante el control de la onda completa de la señal de entrada.

El tiempo en el que se produce el disparo está referenciado al paso por cero de la señal rectificada y viene representado por un ángulo de retraso a.

Los tiristores van a ser disparados de dos en dos (T, - T 3 ) y ( T2 - T4 ) con un ángulo de retraso o. T y T 3 10 harán durante el semiperiodo positivo y T 2 y T4 durante el negativo. Para estos últimos hay que tener en cuenta a parte del retárdo a el tiempo que duró el semícíclo positivo, es decir u + a.

Vi

En la figura se muestra la señal de corriente de la salida del transformador y en la salida del puente, con una carga totalmente resistiva.

Vi

1

Ti

T4

Vo' Figura 6.23 Señal monofásica controlada.

Figura 6.22. Rectificador monofásico controlado. En este tipo de rectificadores la tensión media y la eficaz vienen dadas por las siguientes expresiones. Tensión media en la carga.

r =.; L

1/

Tensión eficaz en la carga.

vrms=J-j(V . ...

...... .

)'dt=m_[(7t_(X)+ i scn2a]

9.2. Rectificador controlado de doble onda trifásico El rectificador trifásico controlado por tiristores, es un circuito muy utilizado en aplicaciones por encima de 120Kw. El circuito en si está formado por seis tiristores dispuestos igual que los diodos que formaban el rectificador no controlado. Para cada periodo de la tensión de alimentación, el circuito de disparo debe suministrar seis impulsos de control distanciados u13 en el tiempo y con uná duráción máxima de 180 0 -a, siendo a el ángulo de retardo contado desde el instante de conmutación natural.

Cuanto más grande sea este ángulo, más tiempo estarán bloqueados los tiristores y por tanto menos señal habrá en la carga. El disparo se irá produciendo en cada semiciclo lo que implica un retraso de a+u, siendo iu901.

—

J@

—

El orden de activación de los tiristores se define por el orden de encendido y la ubicación de cada uno de ellos. La secuencia de encendido para el rectificador de la figura es:

Para una onda alterna senoidal de 50Hz se establece la siguiente correspondencia entre radianes, grados sexagesimales y tiempo.

T,-T5 ; T 6-T, ; T 2-T4 ; T4-T, T 3-T, ; T5-T,

Mr

T

Li

Vii

T2

L-2

VL2

L3

mm

W

5i,/12

7.112

4y

135.

15.

Iw IN

leo-

~ 12 3T

'bIl2 lor

1LI1ITIII1I!

Vt

W3,

23 7,315.

22P 2j 4W3

2w m2

3u 5,13 7,,o;

i2

Figura 6.25. División angular.

Figura 6.24. Rectificador trifásico controlado.

El valor de la tensión media y eficaz entregada a la carga viene dada en función del ángulo de retardo a, y están determinadas por las siguientes expresiones. Tensión media en la carga.

=

r

cli =

."

it 6"

cosa = I,654.V51 •cosa

ir

O Tensión eficaz en la carga. -

Vrrns =

s::'

7c 6«

[v

= «,)1 ~ 6 ) ]

2

4n

cosa

9.3. Rectificadores controlados funcionando en cuatro cuadrantes Los rectificadores controlados estudiados anteriormente son unidireccionales, ya que la corriente solo puede circular en sentido ánodo-cátodo de los tiristores que forman el rectificador. Estos rectificadores pueden funcionar por tanto en el 1 y IV cuadrante. Para que un rectificador controlado pueda funcionar en los cuatro cuadrantes existen tres posibilidades. Conmutación mecánica a través de relés del circuito de continua.

Radianes

Grados Sexagesiales m

o

a

o

15

n/12

0.83ms 1 ,66ms

Tiempo

30

Tm/6

45

fl/4

2,5ms

60

ir/3

3.33ms

75

5Tr/12

4,16ms

90

ir/2

Sms

105

7Tr112

5,83ms

120

2Tr/3

6,66ms

135

3rr/4

7,5ms

150

5n/6

8.33ms

165

11u112

9.16ms

180

Ti

lOms

195

13u112

10,83ms

210

7u/6

11,66ms

225

5mm14

12,5ms

240

4rr13

13,33ms

255

17n112

14,16ms

270

3Ti/2

15ms

255

19ii112

15,83ms

300

5TT/3

16,66ms

315

7mm/4

17,5ms

330

11 u/6

18,33ms

345

23n112

19,16

360

2n

20ms

Tabla 6.2. Equivalencias.

©©© T4

ds Pueste rectificador trifásico 36MT100

Ti

Encapsulado .1tII

2

KiD_ R

K2

O

Figura 6.26. Rectificador monofásico controlado en cuatro cuadrantes.

Rectificador controlado de doble funcionamiento con circulación de corriente en la rama principal.

uN) -so

o

Un rectificador doble controlado en oposición. Es el más utilizado y el único empleado en variadores de velocidad. Como se aprecia en la figura, está formado por dos puentes de Graetf funcionando en oposición. El sistema de control puede determinara partir de las consignas de control general, cuál de los dos rectificadores ha de ser disparado en cada momento.

fl'z. Li

+

Figura 6.29. Patii/aje rectificador 36MT1 00.

Características eléctricas.

1

VRRM : 1000V VRMS : 1100V VF : 0,86V RL AV 35A I FSM : 475A I RRM : lOOpA Características de conmutación 1 2t: 1130 A 2 Características térmicas Tj=Tstg: -40 a +150°C

Figura 6.27. Rectificador monofásico de doble puente controlado. V

I

Señal rectificada trifásica de doble onda controlada En este caso el disparo de los tiristores se hace de forma que coincida en el mismo punto en las tres fases. Sabiendo que cada fase está retrasada con la anterior por 1200 (2u/3), y sí el ángulo de disparo viene determínádo por o, los ángulos de disparo para cada una de las fases serán.

V.

L 1 : cx L2 : a + 2u/3 L3 : a + 2u13 + 2rr/3 = o + 4-r-r/3 Figura 6.28. Señal trifásica controlada.

VO

-,

ds P@ID=81

cb[F©ulq@@ -

10 Reguladores de tensión continua. Convertidores CC/CC

V,

out

Troceador Un troceador puede variar el nivel de señal en la carga en función de la tensión de alimentación V, o del ciclo de trabajo 5 según la expresión:

t

Figura 6.30. Rectificador trifásico controlado.

ToN

-

/._ (•(

Son aquellos que partiendo de una red de tensión continua constante proporcionan potencia sobre otra red de tensión continua variable. También se les denomina troceadores o recortadores, chopper en inglés. Los convertidores CC/CC se pueden clasificar por su sistema de control, obteniendo dos tipos: Convertidores lineales. Basan su funcionamiento en un componente cuyo control se realiza de forma lineal y en su zona activa. Este dispositivo se encuentra en serie con la carga de tal manera que controlando la caída de tensión de éste, se controla la tensión de salida del convertidor. Convertidores conmutados. En este caso la potencia entregada a la carga se regula mediante la activación y desactivación de un dispositivo de conmutación, Podemos encontrar dos tipos.

T

-

-

T

-

rl

Ton Toff

Figura 6.31. Señal cuadrada.

El ciclo de trabajo se define como el cociente entre el tiempo de conducción T0 yel periodo T, siendo éste la suma del tiempo de conducción T0 y el tiempo de bloqueo T0ff

.

- Convertidores

conmutados elevadores. La tensión de entrada al convertidores menor que la de salida. - Convertidores conmutados reductores. La tensión de entrada al convertidores mayora la de salida. 1O.1. Convertidor CC/CC conmutado básico El convertidor CC/CC conmutado básico es el que se representa en el esquema y está compuesto por una fuente de alimentación continua, un dispositivo de conmutación, que puede ser un transistor BJT, y una carga resistiva pura. En este circuito el transistor se activa y desactiva con un periodo T. En el tiempo de activación TON la corriente llega a la carga provocando una caída de tensión en esta ,

igual a la de la fuente (suponiendo ideal al transistor). Cuando el transistor está en corte no circula corriente y toda la tensión de la fuente cae en él. De esta forma a la carga le llega una señal cuadrada cuyo valor medio viene dado por la expresión,

Siendo VL : Tensión en la carga. T0 : Tiempo de conducción. T. Periodo del convertidor, T= T 0 + T0 Ciclo de trábájo

.

TON

TON

'T .1

T

T

OFF

Si variamos el tiempo de conducción T0 manteniendo constante el periodo T, tendremos una modulación en ancho de pulso PWM. Si variamos la el periodo T, y mantenemos constante el tiempo de conducción T0 tendremos una modulación en frecuencia FM.

©©© @ Ti

©© @

Troceador básico Para un convertidor básico o troceador con carga resistiva las señales obtenidas en un osciloscopio se pueden ver en la figura 6.34.

Vcc RL

Podemos ver como variando el tiempo ron o el tiempo T0 variamos la frecuencia de funcionamiento y la energía entregada a la carga. Figura 6.32. Convertidor básico CC-CC.

10.2. Convertidor CC/CC conmutado con carga inductiva En el circuito anterior la corriente en la carga se interrumpe cuando el transistor pasa al estado de bloqueo cosa que no ocurre cuando la carga es una bobina.

Dependiendo del tipo de carga, las señales de tensión y corriente en la misma serán de una manera u otra. En el caso de las cargas resistivas puras no existe diferencia entre la señal de la tensión y la señal de la corriente. En este caso tendremos una señal continua pulsatoria.

Ti isparo

Vcc L

en la carga

Vi Vcc

i la carga

Figura 6.33. Convertidor CC-CC-L.

En el circuito de la figura, se representa un convertidor CC/CC básico con una carga inductiva L, a la cual se le ha añadido un diodo volante para dar un camino a la corriente que la bobina proporciona cuando el transistor está en estado de bloqueo. Cuando el transistor está en estado de conducción T aN la ,

corriente por la bobina se establece de forma exponencial y el diodo Dl se polariza inversamente. Cuando el transistor entra en estado de bloqueo la corriente de la fuente deja de circular siendo la bobina la que proporciona una corriente del mismo sentido que la inicial y que circula a través del diodo O,. 10.3. Tipos de convertidor CC/CC Los convertidores CC/CC pueden trabajar en uno o varios cuadrantes dependiendo del tipo de circuito que se adopte y del o de los componentes de conmutación que se utilicen. De esta forma dependiendo del sentido de la tensión y corriente por la carga los convertidores CC/CC se pueden clasificar en cinco categorías. Convertidores clase A. Trabaja en el primer cuadrante con tensión y corriente positiva hacia la carga la cual absorbe toda la energía de la fuente de alimentación. En este convertidor no es posible cambiar el sentido de la corriente ni de la tensión.

Figura 6.34. Señal con carga resistiva

M=2@

Salida hacia carga

zar los niveles de tensión,

y amortiguar posibles perturbaciones,

entre

otras. Son sistemas modernos de control en continuo desa-

En los compensadores estáticos SVC con variación continua los dispositivos de conmutación, al igual que en el caso anterior, trabajan en conmutación. En este caso forman parte de un convertidor CC-CA que genera corriente alterna de valor y fase determinados de manera que al insertarla en la red, el fdp se corrige al valor deseado.

Transformador de acoplo

rrollo que intentan mejorar el transporte eléctrico sin necesidad de aumentar las instalaciones existentes.

SPWM

Figura 7.27. Compensador de variación continua.

energía reactiva, estabili-

__.

Fuente de continua

? C©®{©Er@ @

Transformador de acoplo. Forma parte del convertidor actuando como filtro y además permite el acoplamiento de la señal alterna generada con la señal de la red eléctrica. Circuito de control. Mide de forma continua la corriente y tensión de la red y la compara con los valores de referencia predeterminados para la instalación. En función de las necesidades, el circuito de control genera las señales adecuadas, generalmente con una modulación senoidal en ancho de pulso (SPWM), que sirven para el disparo de los dispositivos de conmutación. Fuente de alimentación de continua. Es la que proporciona la energía en forma de corriente continua para que el convertidor CC-CA genere la señal deseada. Puede estar formada por un módulo de baterías o un módulo rectificador alimentado desde la propia red. Dispositivos de conmutación. En este caso los dispositivos de conmutación suelen ser IGBTs o GTOs. Este tipo de compensador corrige el fdp de forma continua y con un tiempo de respuesta bajo. No obstante, son sistemas relativamente caros y además el circuito de alta frecuencia también inyecta perturbaciones a nivel de armónicos en las redes de transporte.

6 Arrancadores progresivos El arranque de motores eléctricos ha sido siempre una cuestión a tener en cuenta en las instalaciones automatizadas ya que el consumo extra de corriente y por tanto de potencia que el motor eléctrico absorbe, es importante tanto a nivel energético como a nivel de dimensionado de los elementos de protección y aparamenta. El motor más usado hoy en día en las instalaciones industriales es el motor asíncrono trifásico, que posee un alto consumo de corriente en el arranque directo y que puede afectar a la línea de alimentación provocando caídas de tensión y afectando por tanto al resto de cargas conectadas a la red. Hasta la evolución y desarrollo de la electrónica de potencia, el sistema de arranque más común para los motores asíncronos trifásicos ha sido el arranque estrellatriángulo (Y-D). Este tipo de arranque actuaba directamente sobre los terminales del motor a través de relés electromecánicos o contactores que controlados por el circuito de mando cambian el tipo de conexión del inductor (estator), de tal manera que la corriente por las bobinas en el arranque sea el mínimo posible, conexión estrella. Una vez alcanzada la velocidad y corriente nominal, se cambia la conexión a triángulo para mantener las características nominales del motor tanto en corriente como en tensión. El aporte de la electrónica de potencia en este sentido ha sido la aparición de los arrancadores electrónicos estáticos o arrancadores progresivos, también llamados suaves, que permiten el arranque de los motores asíncronos de forma suave y sin picos elevados de corriente. La evolución de los arrancadores suaves nos lleva al uso de los convertidores de frecuencia o variadores de frecuencia que nos permiten no solo un arranque controlado sino un control continuo del motor en función de la carga de éste.

Armónicos en la señal de las redes de transporte eléctrico Los armónicos (distorsiones de la señal senoidal) no deseados de la señal de corriente en una red de transporte provocan dos efectos destacados, pérdida de energía debido al aumento del valor eficaz de la corriente y caldas de tensión adicionales en las impedancias de la red.

Los principales elementos que introducen armónicos en una red son: - Motores de corriente continua alimentados con rectificadores. - Convertidores de frecuencia. - Compensadores estáticos. - Relés de estado sólido (SSR). - Hornos de arco. - Equipos de soldadura. - Transformadores sobreexcitados. - Onduladores o inversores. - Alumbrado fluorescente. - Equipos de telecomunicaciones. - Sistemas informáticos. -Arrancadores suaves.

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6.1. Constitución y funcionamiento de los arrancadores progresivos

Simbología para

arrancadores Básicamente un arrancador está formado por uno o varios dispositivos de potencia, un circuito de control con sus correspondientes entradas y las entradas y salidas de señal de potencia.

Li

L2

Tanto en los manuales como en circuitos de aplicación se pueden encontrar diferentes símbolos para representar un arrancador suave. No obstante, el símbolo más común es un rectángulo como el de la figura.

L3

Circuito de control

al m Ti

T2

Símbolo de fuerza iL

3L2

5L

2T

4T2

6T3

T3

Salidas de fuerza Figura 7.28 Bloques de un arrancador suave.

Símbolo de mando El arrancador, una vez activado a través de las señales de control, recoge la señal de tensión de fuerza aplicada a las entradas correspondientes y las recorta en sus dos semiciclos, entregando a la carga a través de sus terminales la señal modificada minima para que el motor arranque. A partir de ese momento el circuito de control del arrancador va aumentando el tiempo de conducción de los tiristores hasta completar toda la señal de tensión. El tiempo de arranque es temporizado y puede ser modificado por el usuario en función de las necesidades de carga del motor. A este

Li Li 1

6.

3

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S C, deoo,,o 6

611

11

111111

Figura 7.30. Símbolo del

tiempo se le denomina tiempo de aceleración.

arrancador.

Podemos ver tanto el usado en el esquema de fuerza como en el de mando. En este último aparecen las entradas y salidas del arrancador que dependerán del tipo y fabricante.

arrancadores suaves permiten un arranque temporizado aumentando el par y la corriente de arranque de forma continuada a medida que se va completando la señal de la tensión. Los

Una vez que el arrancador ha alcanzado y completado toda la señal de entrada en la salida, éste nos da una señal generalmente a través de un contacto libre de potencial, que podemos usar para realizar el bypass de la entrada a la salida dejando al arrancador libre para la siguiente maniobra de arranque. En arrancadores de gama alta permiten una parada del motor controlada o temporizada. Cuando se da la señal de paro el circuito de control actúa sobre los tiristores y éstos vuelven a recortar la señal de entrada hasta hacerla desaparecer de la carga. Aeste tiempo de parada se le denomina tiempo de deceleración. En este caso si el bypass está activado, el circuito de maniobra tiene que volver a retirarlo para ejecutar posteriormente la parada controlada. V

V

Vt :06

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Figura 7.29. Señales del arrancador.

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6.2. Tipos de arrancadores progresivos

á9 P@R(Pn(112 Ejemplo de conexión de arrancador

Existen multitud de tipos de arrancadores y podemos clasificarlos desde su potencia hasta el tipo de control CA CC. No obstante, podemos hacer una clasificación más concreta dependiendo del tipo de configuración del circuito de potencia. En este sentido encontramos dos tipos, control dedos fases o control de tres fases.

Como se puede ver en la imagen en el primer tipo de control se deja una de las tres fases de la red sin controlar, es decir, sin pasar por los tiristores, mientras que en el otro caso, las tres fases son controladas. Los arrancadores por mando de dos fases permiten el control de una carga trifásica o monofásica y suelen ser arrancadores de baja potencia con pocas funciones adicionales. Los arrancadores de tres fases son únicamente para cargas trifásicas, alcanzan más potencia de salida y suelen tener funciones adicionales que mejoran el uso del arrancador. Li

L2

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Li

L2

L3

Ti

T2

T3

Ti

T2

13

En el esquema de la figura se muestra el circuito de potencia del arranque de un motor asíncrono trifásico con un arrancador suave.

Figura 7.31. Tipos de arrancador.

6.3. Características generales de los arrancadores Las características que definen a un arrancador progresivo y que nos sirven para elegir el más apropiado a nuestras necesidades son las que se definen a continuación. O Tipo de carga. Define el tipo de motores, monofásicos yio trifásicos asíncronos. O Tensión de alimentación de potencia. Es el rango de valores monofásicos o trifásicos que se pueden aplicar a las entradas de potencia. O Potencia de motor. Nos indica la potencia máxima del motor en función de la

tensión de alimentación y el número de fases. O Corriente nominal de la carga. Máxima corriente de carga cuando el arrancador está conmutando toda la señal.

Figura 7.32. Esquema de

conexión. Esta configuración de interruptor magnetotérmico F,, fusibles ultrarápidos para proteger a los tiristories F, y los contactores de maniobra

O Potencia de disipación. Potencia que disipa el arrancador en el tiempo de arranque yen el estado estable.

KM. y KM, (inversión de giro), garantizan las condiciones de seguridad de

O Tensión del circuito de control. Rango de tensiones y corrientes para aplicación en el circuito de control. Pueden ser de corriente alterna o continua yen la mayoría de los casos permiten la conexión a través de entradas/salidas de un PLC. O Tipo de arranque/parada. Con rampa de tensión y nivel de tensión inicial. O Tiempo de aceleración/deceleración. Rango de tiempos definidos entre máximos y mínimos que definen estas características y que pueden ser ajustados por el usuario.

la instalación.

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O Nivel inicial de tensión. Permite ajustar un nivel de tensión inicial en el arranque para asegurarnos que éste se produce cuando el momento de inercia inicial es elevado. Parde fuerza inicial. Nos informa acerca del par de fuerza de inicio, generalmente en % del total necesario para el arranque directo. Señales de control adicionales. Nos indica las características y funciones de entradas y salidas adicionales de control.

Aplicaciones de los arrancadores progresivos

Los arrancadores progresivos o suaves aportan numerosas ventajas a las instalaciones que incluyen el uso de motores. - Reducen los picos de

Características físicas. Dimensiones, peso, tipo de montaje.

corriente y las caídas de tenSión en la red.

Protección IP

- Reducen el par de arranque de la máquina.

Temperatura de funcionamiento. Describe el rango de temperatura ambiente donde se asegura el funcionamiento correcto del arrancador.

- Permiten la aceleración y frenado suave.

7 !nversor

-Adaptan el tipo de arranque para cada una de las

Hasta ahora nos hemos referido a los inversores como circuitos convertidores que se integran en dispositivos más complejos, de mayor entidad y con aplicaciones totalmente diferentes a éstos. Pero de forma genérica cuando hablamos de un inversor u ondulador nos estamos refiriendo a un dispositivo compacto que convierte la corriente continua procedente de una fuente independiente como puede ser una batería, una dinamo o un sistema de placas solares fotovoltaicas. A estos inversores también se les conoce como inversores autónomos o auto guiados. -.

aplicaciones. - Protegen al motor. - Permiten el control del motor a través de sistemas remotos. Las aplicaciones donde los arrancadores cumplen un

7. 1. Tipos de inversores

papel fundamental son

Los inversores los podemos clasificar a partir de numerosas características como por ejemplo, la potencia o el tipo de onda que presentan en su salida.

aquellas que requieren de numerosos ciclos de marcha y paro y donde existen pares de arranque variables, como

Alta potencia MW

L -,

Potencia]

por ejemplo bombeos, ventiladores, compresores, trans-

Media potencia kW

porte horizontal y vertical, Baja potencia W

Clasificación de los inversores

Cuadrada u'OI

etc.

1

[Senoidal modificada Senoidal pura

Figura 7.33. Tipos de inversores.

Clasificación por potencia Los inversores de alta potencia son dispositivos destinados principalmente a la conversión de corriente continua procedente de instalaciones solares fotovoltaicas y su salida puede estar conectada a una red de transporte inyectando potencia a ésta o constituir una instalación aislada.

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Los sistemas de media potencia pueden ser sistemas alimentados con baterías o instalaciones fotovoltaicas pequeñas y suelen alimentar a varias cargas en instalaciones autónomas como por ejemplo, caravanas, barcos, viviendas sin conexión de red, etc. Por último los inversores de baja potencia están diseñados para alimentar una o dos cargas de baja potencia y suelen formar un bloque compacto que incluye la batería. Clasificación portipo de onda La onda cuadrada es la más básica de todas. Para su generación no es necesario un circuito de control complejo, está asociada a inversores de baja gama y pequeña potencia. Pueden alimentar cargas principalmente resistivas como lámparas de incandescencia, resistencias de caldeo a las que no les afecta para su funcionamiento el tipo de onda. Los inversores de este tipo son los más económicos aunque sus limitaciones son tangibles. El siguiente paso es la onda senoidal modificada, los inversores que la generan incluyen circuitos y algoritmos de control más complejos que los anteriores. Utiliza modulación en ancho de pulso y la onda obtenida es una señal cuadrada modificada para simular en mayor medida la señal senoidal. Pueden alimentar cargas más complejas (inductivas) con mayor eficiencia que los anteriores.

Instalaciones fotovoltaicas autónomas conectadas a la red Una de las aplicaciones de los inversores de gran potencia es en las instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red. En este caso el inversor debe suministrar una señal senoidal pura y estable para poder ser inyectada a la red de transporte.

III" I 111111 "III

Placas solares fotovoltaicas Regulador de carg a/descarg a

+

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El inversor de onda senoidal pura es un dispositivo de gama alta ya que incluye circuitos de control complejos y costosos que permiten modulaciones en ancho de pulso complejas para obtener una señal senoidal lo más pura posible. Para ello, también tienen que incluir filtros compuestos por condensadores e inductancias que encarecen igualmente los dispositivos. No obstante, son los que proporcionan mayor eficiencia lo que los hace imprescindibles en instalaciones de generación.

Sjrcronizacor con red

Cortador

Cuadrada

Red de transporte

Figura 7.34. Instalación foto voltaica.

Senoidal Modificada

Senoidal Pura

Figura 7.35. Tipos de onda.

ds P@I(In@ÚS 7.2. Características generales de los inversores autónomos

Las características comunes a los inversores autónomos o autoguiados son. Potencia nominal de salida. Se indican valores mediosde potencia. Potencia máxima de pico. Es un valor de potencia pico que se puede alcanzar en un momento dado y con una duración determinada. Corriente de entrada. Corriente de consumo procedente de las baterías, nos dan una aproximación de la duración de ésta. Tensión de salida. Indica el valor de la tensión de la señal de salida en valores eficaces. Tipo de onda. Tipo de onda de salida. Frecuencia de salida. Eficiencia y rendimiento. Es uno de los datos más importantes de los inversores e indica la relación entre la potencia que se extrae de las baterías y la potencia que se entregaala carga. O Distorsión. Está referida a una señal senoidal pura de salida. C) Consumo en reposo. Es el consumo que presenta el inversor cuando no entrega potencia a la carga. Se refiere al consumo mínimo e influye en la eficiencia del dispositivo. Alarmas y protecciones. Los inversores suelen tener dispositivos de protección, ante sobrecargas, baja tensión de batería, cortocircuito de salida, polaridad inversa, exceso de temperatura, etc. Para todas estas protecciones los inversores suelen dar información mediante testigos o pantallas. Número de salidas. Para inversores de baja potencia. Características físicas. Dimensiones, peso, protección IP, etc. Características de instalación. Condiciones ambientales y disposición de los dispositivos.

8 Variadores de frecuencia Los variadores de frecuencia son los convertidores de potencia que más impacto han causado en los sistemas de control y automatización. Han revolucionado los sistemas de variación de velocidad en motores eléctricos lo que ha supuesto un incremento de la eficiencia de numerosos procesos y han hecho del motor asíncrono trifásico de inducción la estrella en los sistemas de conversión electromecánica. Dada la importancia y la magnitud de éstos dispositivos se ha reservado un tema (tema 8) en la presente publicación que trata únicamente de la constitución, funcionamiento, características y aplicaciones de los citados convertidores.

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11 Efectos de una onda cuadrada en una

carga inductiva Los inversores de onda cuadrada de salida no pueden alimentar cargas inductivas, ya que se produce una sobretensión que podría quemara¡ inversor. Por su naturaleza, las bobinas (cargas inductivas) son reacias a los cambios bruscos de corriente ya que cuando se dejan de alimentar o se invierte la corriente, éstas mantienen durante un tiempo la corriente en el mismo sentido que el inicial. Esto es debido a la f.e.m. inducida en la bobina que es contraria a la que la ha creado. En este caso, la bobina devuelve energía a la red. Debido a la forma de onda alterna cuadrada, en cada semiciclo se produce una sobretensión suma de la tensión proporcionada por la FA y la f.e.m. inducida en cada semiciclo.

Actividades

7.1. Diseñar el esquema unifilar para la alimentación de cinco circuitos para tomas de corriente bajo alimentación ininterrumpida por medio de SAI.

7.2. Diseñar el esquema de potencia y maniobra para el arranque, en un solo sentido, de dos motores de forma individual con un único arrancador suave. El sistema dispondrá de un pulsador de marcha uno de parada y otro de parada de emergencia. Cuando se activa el circuito mediante el pulsador de marcha, el arrancador suave arranca uno de los motores, cuando se alcanza la velocidad y potencia nominal se hace el bypass y el arrancador queda libre. Pasados unos segundos, el arrancador arranca el siguiente motor hasta que queda en bypass. La secuencia se puede ver interrumpida si se actúa en alguno de los pulsadores de paro.

8 Convertidores de frecuencia

W2 1 Introducción

Velocidad de un motor asíncrono trifásico

Los convertidores de frecuencia o variadores de frecuencia nacen de la necesidad de poder variar la velocidad de un motor eléctrico. Como se ha dicho en temas anteriores, antes de la aparición y desarrollo de la electrónica de potencia, los accionamientos electromecánicos que necesitaban un movimiento variable, se conseguían a partir de motores de CC que poseen la capacidad de variar su velocidad modificando la tensión de alimentación. Posteriormente, la mejora en lcs motores de CA, principalmente los motores asíncronos y el desarrollo de la electrónica de potencia propició el nacimiento y evolución de los sistemas convertidores de frecuencia.

Para deducir la expresión de la velocidad n de un motor asíncrono en función del deslizamiento S, del número de pares de polos p y de la frecuencia I partimos de la expresión que define la velocidad de giro del campo magnético giratorio n 1

Hoy en día la mayoría de los accionamientos electromecánicos con variación de velocidad están basados en el uso de motores asíncronos aunque también es posible encontrar accionamientos con motores síncronos. Para saber cómo variar la velocidad de un motor asíncrono hay que recordar la expresión que define la velocidad de éste.

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