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Electricidad y componentes electricos, Apuntes de Ingenieria Eléctrica

Componentes electricos y sus funcionamientos

Tipo: Apuntes

2022/2023

Subido el 04/05/2023

agustin-maldonado-4
agustin-maldonado-4 🇦🇷

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Proyecto y Diseño de Instalaciones Eléctricas. Año 2022.
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TRABAJO PRACTICO N°1: ACCIONAMIENTO DE MOTORES ELECTRICOS
MOTORES
Los motores eléctricos mueven a la industria.
En la actualidad podemos observar que el 60% de estos motores corresponde a los trifásicos del tipo
“asincrónico”, popularmente conocidos como “jaula de ardilla” debido a las formas constructivas de su
rotor. La principal característica de este tipo de motores es que no utiliza ningún elemento rozante
para permitir el paso de la corriente eléctrica entre los bobinados del rotor y el estator. De hecho no
cuentan con un rotor bobinado. Esto los convierte en componentes con bajo requerimiento de
mantenimiento.
Para funcionar recordemos que dentro del motor trifásico existe un campo rotatorio, y que el rotor
tiende a seguirlo tal como se muestra a continuación:
CONTACTORES
Tal como se dijo anteriormente, la industria funciona principalmente a partir del uso de motores
eléctricos, pero también se utilizan ampliamente actuadores (neumáticos o hidráulicos), sensores, y
sistemas de control automático (PLC), entre otros elementos.
Los contactores son los principales componentes eléctricos utilizados para la maniobra de motores
con potencias que van desde 4 hasta los 30 kW.
En aquellos casos donde el sistema de control es de dimensiones pequeñas, con todos los
componentes ubicados dentro de un tablero, la parte de mando puede operar con 220V. Mientras que
en circuitos de grandes dimensiones (por ejemplo: líneas de producción), donde se utilizan sensores
repartidos en diferentes partes de una máquina o línea de producción, suele utilizarse 24V.
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¡Descarga Electricidad y componentes electricos y más Apuntes en PDF de Ingenieria Eléctrica solo en Docsity!

TRABAJO PRACTICO N°1: ACCIONAMIENTO DE MOTORES ELECTRICOS

MOTORES

Los motores eléctricos mueven a la industria.

En la actualidad podemos observar que el 60% de estos motores corresponde a los trifásicos del tipo “asincrónico”, popularmente conocidos como “jaula de ardilla” debido a las formas constructivas de su rotor. La principal característica de este tipo de motores es que no utiliza ningún elemento rozante para permitir el paso de la corriente eléctrica entre los bobinados del rotor y el estator. De hecho no cuentan con un rotor bobinado. Esto los convierte en componentes con bajo requerimiento de mantenimiento.

Para funcionar recordemos que dentro del motor trifásico existe un campo rotatorio, y que el rotor tiende a seguirlo tal como se muestra a continuación:

CONTACTORES

Tal como se dijo anteriormente, la industria funciona principalmente a partir del uso de motores eléctricos, pero también se utilizan ampliamente actuadores (neumáticos o hidráulicos), sensores, y sistemas de control automático (PLC), entre otros elementos.

Los contactores son los principales componentes eléctricos utilizados para la maniobra de motores con potencias que van desde 4 hasta los 30 kW.

En aquellos casos donde el sistema de control es de dimensiones pequeñas, con todos los componentes ubicados dentro de un tablero, la parte de mando puede operar con 220V. Mientras que en circuitos de grandes dimensiones (por ejemplo: líneas de producción), donde se utilizan sensores repartidos en diferentes partes de una máquina o línea de producción, suele utilizarse 24V.

En la industria el accionamiento de las máquinas eléctricas se realiza con los siguientes dispositivos:

  1. Interruptor o guardamotor activado manualmente.
  2. Mando a distancia utilizando circuitos con contactores.
  3. Sistemas mixtos (PLC + contactores).
  4. Arrancadores electrónicos.
  5. Variadores de frecuencia.

24V

CC

220V/50Hz

En máquinas de producción que requieren automatismos complejos o una velocidad controlada durante el arranque y/o parada se puede utilizar PLC, contactores, variadores de frecuencia o arranques electrónicos (Softstart).

CONTACTORES

Los contactores son componentes electromecánicos diseñados para establecer o interrumpir el paso de corriente en circuitos eléctricos de potencia, que a la vez permiten realizar la maniobra a distancia de la carga operada. Por sus características constructivas y principio de funcionamiento, no solo se utilizan para la maniobra de grandes cargas eléctricas (motores, iluminación, resistencias, etc), sino que también dan la posibilidad de armar automatismos con sensores, controles electrónicos, protecciones eléctricas y PLC, con diferentes grados de complejidad.

Los contactores poseen dos posiciones de funcionamiento (conmutación / 0-1 / SI-NO). Sus partes principales son las que se muestran en las imágenes, La carcasa tiene dos partes: la superior se denomina cámara apagachispas y cubre los contactos principales. La inferior es la base y cubre la bobina.

Para el dimensionamiento de los sistemas con contactores se debe recurrir a la ficha técnica dada por el fabricante, donde se detallan las características propias de cada modelo entre las que encontramos la potencia nominal, frecuencia de accionamiento, identificación de los contactos principales, contactos auxiliares, tensiones de bobina, etc. En el esquema mostrado a continuación se puede ver la identificación de cada uno de los bornes, según recomienda la norma de referencia:

  1. Contactos principales: Fijos montados en la carcasa y móviles solidarios con la armadura. Los bornes de los fijos se identifican del 1 al 6 (impares línea, pares carga).
  2. Contactos auxiliares propios del contactor están identificados del siguiente modo (también se pueden colocar contactos auxiliares adicionales):

a) 13-14 y 33-34 = NA b) 21-22 = NC

  1. Los extremos de la bobina son A1 y A

Numeración contactos según normas

En los tableros eléctricos de grandes máquinas, se podrían encontrar contactores de menores dimensiones utilizados en los circuitos de comando (en lugar de los relés).

Las bobinas tienen tensiones de trabajo de 24 o 220 VCA. Se podrían usar 24 V en ambientes muy húmedos o a la intemperie y 220 V en aquellos casos donde el operador no acciona los botones en condiciones críticas.

Con el uso combinado de contactores y PLC, se abren otras posibilidades al permitir el manejo de automatismos a grandes distancias vía conexión IP, mediante el uso de Internet. Esto aumenta las ventajas del uso de los contactores.

En los esquemas eléctricos los contactores son identificados como KM (Principal / Potencia) o KA (Comando). Si hay más de un contactor la identificación llevará números consecutivos (KM1, KM2, etc).

Los tableros que contienen circuitos de potencia con contactores, suelen estar sometidos a diversos factores externos como:

  1. Vibraciones.
  2. Humedad excesiva.
  3. Polvo.
  4. Golpes.
  5. Variación de temperatura.

Bajo están condiciones de operación pueden ocurrir fallas como:

  1. Rotura de la carcasa.
  2. Falla de bobinas.
  3. Degradación de los contactos (por suciedad depositada, arco eléctrico. etc).
  4. Desconexión de los conductores (por vibración y desajuste de los tornillos de las borneras).

Para resolver una falla hay que analizar el problema presentado a partir del conocimiento del circuito eléctrico (contar con el plano correspondiente), verificar el buen estado de las conexiones, utilizar instrumentos de medición (tester, pinza amperométrica, etc) y si resulta viable reemplazar los elementos con fallas por otros nuevos.

Temporizador Contactos Aux. adicionales Relé térmico Contactor con relé térmico

IDENTIFICACION DE LOS COMPONENTES DE ACUERDO A LA NORMA

De acuerdo a lo dictado por la normativa vigente, cada componente tiene asignada una letra o secuencia de letras para su correcta identificación. En aquellos casos donde existan más de un componente del mismo tipo, se los debe numerar en forma correlativa.

Contactores Protecciones Accionamientos Temporizadores Motores Pilotos

DIMENSIONAMIENTO DE CONTACTORES

Hasta ahora para seleccionar el contactor apropiado para un circuito bastaba con conocer, por ejemplo, la corriente nominal de la carga que se desea accionar. De este modo la información tendría el siguiente formato:

V 3 x 380 V In 10 A

Sin embargo, existen otros factores que impactan en el dimensionamiento del contactor, y que están relacionados con la forma de trabajo de la máquina y del tipo de carga que se debe accionar.

Es así como podemos identificar Clases y Categorías de trabajo:

  1. Categorías: hacen referencia al tipo de la carga a alimentar (motor a jaula de ardillas, motor rotor bobinado, resistencias, luminarias, transformadores) y las condiciones de uso (motor en funcionamiento normal, corte durante el arranque, etc).

  2. Clases: refieren directamente a la cantidad de accionamientos diarios.

En este sentido tenemos:

 Servicio permanente.  Servicio 8 hs (equilibrio térmico).  Servicio temporal (se enfría a temperatura ambiente).  Servicio intermitente:

 Clase 0,1 = 12 accionamientos/hr.  Clase 0,3 = 30 acc./hr.  Clase 1 = 120 acc./hr.  Clase 3 = 300 acc./hr.  Clase 10= 1200 acc./hr.

Categorías de empleo en corriente alterna (AC):

 AC1 (condiciones de servicio ligeras): Cargas puramente resistivas o ligeramente inductivas, calefacción eléctrica, iluminación incandescente.  AC2 (condiciones de servicio normales): Motores de rotor bobinado en uso estándar, mezcladoras, centrífugas, etc. Arranque y parada en cualquier momento del tiempo de arranque (I ≥ In). Para el dimensionamiento se debe estimar el porcentaje de aperturas (desconexiones) al arranque.  AC3 (condiciones de servicio difíciles): Motores asincrónicos de rotor jaula de ardilla en uso estándar, ascensores, compresores. Arranque, desaceleración y parada durante In.  AC4 (condiciones de servicio extremas): Motores asincrónicos para trabajo pesado (marcha por impulsos, frenado contracorriente. Inversión de marcha), máquinas de impresión, puente- grúas, montacargas, otros. Para el dimensionamiento se debe estimar el % de aperturas

(desconexiones) al arranque. Por marcha a impulsos se entiende conectar el motor una o

repetidas veces por cortos períodos para obtener pequeños movimientos de la máquina.

 AC5a: Mando de lámparas de descarga. La I de arranque es el doble de la nominal durante casi 5 minutos.  AC5b: Mando de lámparas incandescentes. La intensidad de trabajo de la lámpara no debe sobrepasar la In del contactor en AC1.  AC6a: Mando de transformadores, donde la I de conexión en vacío es de 20 a 40 veces la nominal.  AC6b: Mando de capacitores.  AC7a y b: Aplicaciones domésticas.  AC8a: Comando de compresores herméticos en equipos de refrigeración.

Mayor exigencia para el contactor durante el tiempo de arranque de un motor o un transformador

De la gráfica anterior se puede observar que para la misma potencia de trabajo un contactor soporta en categoría AC3 mayor cantidad de accionamientos por hr que en AC4 (1200 vs 120 accionamientos/hr). Esto es para permitir el enfriamiento de los contactos ante la mayor exigencia y mantener alta la vida útil de los mismos.

Esto último puede ser verificado en las tablas dadas para ciertos modelos de contactores:

SISTEMAS DE ARRANQUE

Los motores eléctricos trifásicos con arranque directo (AD) consumen durante el arranque hasta 6 veces más. Existen diferentes configuraciones electromecánicas y electrónicas diseñadas para hacer más eficiente el arranque de los motores, al reducir el valor de la corriente inicial y con mejoras del par motor, sobre todo cuando se trata de máquinas de grandes potencias. Todo esto contribuye a tener un menor impacto sobre la línea eléctrica de la industria y del barrio (que puede notar el arranque de grandes máquinas por la caída de tensión de la línea).

Si observamos las curvas típicas de corriente de arranque (I arranque ) y torque (M) respecto de la velocidad de rotación (n) de un motor trifásico de inducción, podremos ver que al utilizar un sistema

de arranque directo la I arranque es varias veces superior a la I nominal (hasta 6 veces más), lo cual nos obliga a sobredimensionar la línea de alimentación del motor (= mayor costo).

Factor de arranque

Los Sistemas de Arranque destinados a máquinas eléctricas trifásicas tienen diferentes factores de arranque y son los siguientes:

  1. Directo (AD): factor de arranque 6, cantidad de contactores 1.
  2. Inversor de marcha: Factor de arranque 6, cantidad de contactores 2.
  3. Estrella-Triángulo (ET): factor de arranque 3, cantidad de contactores 3.
  4. Softstart (AS): factor de arranque 2,5. Electrónico (podría tener 1 contactor en paralelo).
  5. Variadores de Frecuencia (VF): factor de arranque 2,5. Electrónico.

Ventajas del uso de diferentes arranques

Motor Pot nominal Arranque Factor de arranque Pot de arranque

Trifásico 5 kW VF/AS 2.5 12.5 kW

Trifásico 5 kW ET 3 15 kW

Trifásico 5 kW AD 6 30 kW

Descripción de los Sistemas de Arranque

El Arranque Directo (AD) es el más simple de los sistemas estudiados y puede ser accionado mediante un interruptor, pulsadores o diversos sensores (presostato, fin de carrera, fotocélula, flotante, etc). Es apto para accionar motores de baja potencia y máquinas como compresores, bombas elevadoras de agua, etc.

Podríamos decir que el AD no resulta apropiado para accionar motores de potencias elevadas debido a que no reduce la sobrecarga de corriente (+ 6 veces) sobre los conductores durante el arranque.

Datos generales de la línea:

VL = 380V VF = 380V / √3 = 220V Frec = 50 Hz Putil = 0,75 kW

Nota: La potencia útil es una relación entre la potencia activa y el factor de potencia (en este caso 0,8).

Cálculos que nos permitirán caracterizar el sistema:

Formas de configurar el motor trifásico de acuerdo a la conexión de la bornera:

Triángulo (∆) Estrella (Y)

El arranque ET tiene como finalidad reducir la I arranque (llevarla a un factor de arranque 3), bajando el impacto sobre la instalación eléctrica durante el tiempo de arranque de los motores de gran potencia.

La reducción de la corriente de arranque es imprescindible para el caso de motores de potencias elevadas, dado que de lo contrario podrían producir una reducción importante en la tensión de línea.

En conexión Y la corriente de arranque es más baja que en ∆, lo mismo que el par de arranque, por

eso se utiliza este cambio secuencial del conexionado de las bobinas del motor.

Recordemos el diagrama eléctrico de un sistema de arranque Y-∆ completo:

El sistema denominado Softstar es un dispositivo de arranque electrónico programado que puede ser ajustado según los requerimientos de torque de la máquina, lo cual aumenta considerablemente la vida útil del motor y de la instalación eléctrica. Este sistema está compuesto por dos partes principales:

  1. Unidad de control de potencia.
  2. Unidad de mando automático.

Las gráficas permiten comparar las curvas de I arranque y M típicas del “arranque directo” y cuando se utiliza un “Softstart”.

Para evitar el sobrecalentamiento de los tiristores de la etapa de potencia una vez que el motor entró en régimen, es decir que alcanzó la velocidad nominal, se usa un sistema de Bypass que “puentea” el Softstar.

La onda de salida del VF no es una senoidal perfecta, sino que está compuesta por una serie de pulsos.

Línea de producción controlada Motor con control de velocidad Variador de Frecuencia

OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE

En máquinas antiguas aún se pueden ver otros tipos de sistemas electromecánicos como el “Arranque por Autotransformador” que permitía reducir la I arranque mediante la reducción de la tensión aplicada con resultados similares al arranque “estrella-triángulo”.

Los contactores desconectaban el Transformador una vez que el motor alcanzaba I n.

Arranque por autotransformador y las curvas características

FRENADO DE LAS MAQUINAS

Cuando por diseño se debe reducir el tiempo de frenado de una máquina, ya sea ante una emergencia o por razones operativas, se debe hacer uso de los “sistemas de frenado”. Entre los sistemas eléctricos encontramos:

  1. Freno por VCC.
  2. Freno por Inversión de Marcha.
  3. Frenado mediante Softstart.
  4. Freno Dinámico.

En el Freno por VCC de un motor trifásico tipo jaula de ardilla, se logra el frenado a partir de la aplicar una VCC entre dos de las bobinas. Esta VCC se obtiene de un rectificador (transformador y puente de diodos). Para calcular el valor de la VCC de frenado se deben medir las resistencias de las bobinas de las dos fases que vamos a utilizar, y con la corriente nominal del motor como dato se calcula la VCC mediante Ley de Ohm. Cabe destacar que la VCC será siempre inferior que la VCA porque en corriente continua solo intervienen las resistencias de las bobinas y no las impedancias.

En el caso de la inversión de marcha simplemente se invierte durante la marcha el sentido de giro del motor (inversión de las fases en dos bobinas) y para evitar la detención y giro a contramarcha se usa un sensor de giro del eje (generalmente un contacto centrífugo que le otorga funcionalidad al sistema). Solo se utiliza con motores específicamente preparados, debido a las elevadas corrientes que aparecen durante el frenado.

El frenado mediante Softstart es el menos “violento” de todos los sistemas dado que reduce suavemente la tensión aplicada, controlando el torque y la corriente hasta producir la detención de la máquina.

Freno por inversión de marcha

Locomotora traccionando Locomotora con freno dinámico aplicado

En el caso de los trenes eléctricos o subterráneos que trabajan conectados a la red eléctrica (mediante un pantógrafo o zapata), se podría aportar la energía generada durante el frenado por los motores (en situación de generador) a la red, sin necesidad de utilizar el banco de resistores de disipación.

Locomotora Diesel-Eléctrica Tren eléctrico

PROTECCIONES

Independientemente del tamaño de la instalación no deben faltar las protecciones eléctricas que se muestran a continuación, combinadas como resulte más conveniente:

Orden: Componente: Protege contra:

1 Fusible Cortocircuito, sobrecarga

2 Termomagnética Cortocircuito, sobrecarga

3 Relé Térmico Sobrecarga, falta de fase

4 Diferencial Descarga a tierra

Fusibles (tipo N) Termomagética Relé Térmico Disyuntor

Veamos los costos relativos de los elementos de protección orientados a motores eléctricos industriales: