INSTALACIONES ELCTRICAS INDUSTRIALES

Rels Trmicos

Estos equipos tienen un elemento bimetlico conformado por dos metales que tienen diferentes coeficientes de dilatacin. Se utilizan para proteccin contra sobrecargas y ante falta de una fase (en caso el motor sea trifsico).

La curva caracterstica de este rel comprende una banda de dispersin de disparo partiendo del estado fro.

De la curva de disparo se deduce que si por ejemplo el coeficiente de sobreintensidades fuese 2 veces la intensidad de regulacin, el rel tardara 60 segundos en disparar partiendo del estado fro y 40 segundos si partiera del estado caliente de los bimetlicos.

Protecciones elctricasCurva caracterstica de los rels trmicos

Tiempo SegMultiplos de corriente de regulacin246860 seg40 segBanda de dispersin de los tiempos de disparocalientefrio

Seleccin y regulacin de los rels trmicos

El rango de regulacin del rel trmico se elige en funcin de la corriente nominal del motor.

La regulacin deber elegirse siempre de forma que la intensidad nominal del motor quede comprendido en la zona central de la escala de regulacin.

Ejemplo: In del motor igual a 20 A.Se emplear un rel de regulacin 17/26 A cuya regulacin ser aproximadamente 22 A.

Arranque de motoresCuando se conecta directamente un motor parado a la red, el pico de corriente de arranque es muy grande (de 4 a 6 veces la corriente nominal).Si los cables de alimentacin son de gran longitud o de una seccin insuficiente, se produce una severa cada de tensin, afectando al motor y a las cargas conectadas al mismo suministro, especialmente a los dispositivos de alumbrado.Para superar este problema los suministradores limitan el arranque a plena tensin (direct-on-line) hasta una potencia definida.Otros insisten en que la corriente de arranque sea limitada a una proporcin de la corriente de plena carga.Los motores de jaula de ardilla son los nicos que son arrancados a plena tensin.

ARRANCADORESEs un conjunto de componentes que se utilizan para arrancar, parar y proporcionar proteccin de sobrecarga a un motor, cuyas funciones son:Seccionamiento: poder aislar los circuitos de potencia y auxiliares de la tensin de suministro.Interrupcin: permitir cerrar y abrir bajo carga y actuar como parada de emergencia.Proteccin de cortocircuito: detectar y cortar lo ms pronto posible corrientes mayores a 10 In.Proteccin de sobrecarga: detectar incrementos de corriente hasta 10 In y desconectar antes que el calentamiento del motor y los conductores causen daos al material aislante.Conmutacin: consiste en cerrar, abrir y si es necesario regular el valor de corriente.

Existen por lo tanto 2 tipos de arranque:

a)Arranque Directo ( a plena tensin)El motor se acopla directamente a la red de alimentacin. Usualmente se usa para motores pequeos hasta 10 HP.

b)Arranque a tensin reducida.Se usa para motores de potencias superiores a 10 HP. Puede ser del tipo

-Arranque Estrella-Tringulo.-Arranque por autotransformador.-Arranque por resistencias.

Arranque directo Es el procedimiento mas sencillo y consiste en aplicar toda la tensin de lnea a los bornes del motor.La corriente de arranque toma valores de 4 a 8 In.Se mantiene el par inicial de arranque con sus caractersticas de diseo que puede ser entre 0.6 y 1.5 del par nominal.La aplicacin de estos arrancadores est determinado por el tipo de carga y las limitaciones del servicio elctrico.Se usa en motores de pequea y mediana potencia.Este procedimiento no es recomendado si el arranque debe hacerse lenta y progresivamente (determinados montacargas, cintas transportadoras, etc.)

Arrancadores Directos

Arranque DirectoVentajas: Costo reducido No tiene lmite en el nmero de arranques Componentes ocupan poco espacio

Arranque DirectoDesventajas:

Elevada corriente de arranque Provoca cadas de tensin

Sobredimensionamiento del sistema de proteccin (cables, contactores) Produce picos de torque Aumenta el mantenimiento y quiebras mecnicas

Arranque Estrella Triangulo Se aplica a los motores con los extremos de los tres devanados del estator accesibles (6 bornes) y donde la conexin en triangulo corresponda a la tensin nominal del motor.El motor arranca en conexin estrella. La tensin entre bornes del motor es del 58% de la tensin entre lneas mientras la corriente y el par de arranque quedan reducidos al 33% de sus valores a plena tensin. Pasado el periodo de arranque, las bobinas se conectan en triangulo apareciendo entre los bornes de las bobinas el 100% de la tensin nominal, estando el motor apto para trabajar a plena potencia.Se aplican a motores que arrancan en vaco o tengan un par resistente pequeo.

Arranque Estrella - Tringulo Ventajas:

Costo reducido No tiene lmite en el nmero de arranques Componentes ocupan poco espacio Corriente de arranque reducida para 1/3 (curva de I)

Desventajas:

Disponibilidad de 6 bornes para conexin La tensin de red debe coincidir con la tensin en tringulo del motor En el arranque el motor debe alcanzar por lo menos 90% de su velocidad nominal Torque de arranque reducido para 1/3 del nominal Arranque Estrella - Tringulo

Arranque por autrotransformador Con este arrancador el motor es alimentado a tensin reducida mediante un autrotransformador con taps y luego del periodo de arranque se pone fuera de servicio.Estos taps se suministran de modo que proporcionan 50, 65 u 80% de la tensin de lnea en los bornes terminales del motor.Dependiendo de que juego de taps se escojan, las corrientes de arranque en la lnea y los torques de arranque sern de 25, 42 o 64% de los valores nominales a motor bloqueado.

Arranque por AutotransformadorVentajas:

En el pasaje de la tensin reducida para la tensin de la red, el motor no es desconectado y el segundo pico es reducido Es posible obtener variaciones de Tap de 65 a 90% de la tensin de la red

Desventajas:

Limitacin del nmero de arranques Costo elevado debido al autotransformador Tamao y peso elevados en funcin del autotransformadorArranque por Autotransformador

Arranque por resistencias rotricas Si un motor de anillos se arranca directamente con los devanados rotricos cortocircuitados, se producira un torque y una corriente de arranque grandes e inadmisibles.Al alimentar el estator, para reducir esta corriente y par, se introducen resistencias rotricas que progresivamente se van cortocircuitando.La corriente de arranque se puede ajustar a valores menores del 2.5 In correspondiendo torques igualmente menores de 2.5 del torque bloqueado.El calculo de la resistencia insertada en cada etapa permite determinar de forma rigurosa la curva par-velocidad obtenida para un par dado, la velocidad es tanto mas baja cuanto mas alta sea la resistencia.

Soft-Starter (arrancador suave)

Principio de Funcionamiento Equipamiento proyectado para acelerar, decelerar y proteger motores de induccin trifsicos, ajustando el ngulo de disparo de tiristores, controlando de esta forma la tensin aplicada al motor.

Vara solamente la tensin (tiristores).

No atiende aplicaciones que exijan variacin de velocidad.

Tensint (s)AceleracinDeceleracinRampa de Tensin

DIAGRAMA EN BLOQUES SIMPLIFICADO

Soft-StarterCaractersticas:

Ciclo de arranque : 300% de Inom: Entre 10 s y 30 s Interface hombre-mquina local o remota Proteccin del motor Funciones especiales: Pump Control - minimiza el Golpe de Ariete Kick Start - para compresores de pistones

Ventajas de un Soft-Starter? Permite un arranque suave tanto elctrica como mecnicamente No posee partes mviles No genera arco ni induccin eletromagntica Reduce / limita la corriente de arranque del motor Minimiza Golpes de Ariete Economa de energa

Comparativo Entre Mtodos de ArranqueArranque Estrella-Tringulo

AHORRO DE ENERGIAMuchas aplicaciones exigen poca carga del motor. Los factores de seguridad colocados en el dimensionamiento de la parte mecnica y tambien en el calculo de la potencia del motor elctrico hacen en muchos casos que el motor trabaje sobredimensionado.En estos casos el arrancador suave presenta la funcin de ahorro de energa que puede ser activada, a travs de un nico parmetro. Con esta funcin activada, el arrancador suave detecta la condicin de carga en el motor y ajusta la automticamente la tensin en el motor.

AHORRO DE ENERGIADe esta forma, si la carga es pequea, la tensin aplicada al motor va a disminuir y con esto disminuir el flujo en el motor y la corriente de magnetizacin.Esto har que las perdidas, tanto del hierro como en las bobinas del motor, sean menores. Esto funcin proporciona un aumento de la eficiencia del motor cuando esta trabajando con baja carga.

PROTECCIN DE MOTORES

Anormalidades en un motor:-Sobrecargas.-Cortocircuitos.

a)Sobrecargas

Corrientes por encima de la corriente nominal, entre 1,25 In y 2,0 In. Puede ser producida por:-Sobrecarga mecnica.-Elevacin de temperatura.-Sobrecarga debida a una reduccin de tensin.

Los dispositivos de proteccin contra sobrecargas en los motores utilizados son los rels trmicos.

b)Cortocircuitos

IF igual o mayor a 2 In

La corriente de falla IF puede ser producido por un cortocircuito entre fases, entre espiras de bobinas fallas a tierra. Para la proteccin de los motores contra este tipo de fallas se utilizan fusibles interruptores termomagnticos.

ESQUEMA DE PROTECCIN Y CONTROL DE MOTORESMDBACEFA:Conductores del circuito derivado del motor.B:Medio de desconexin del motor.C:Proteccin del circuito derivadoD:Control del motorE:Conductores del alimentadorF:Elemento de proteccin del alimentador.Otros circuitosOtras cargas

ProblemaCalcular las caractersticas principales de los circuitos derivados y el alimentador para un centro de control de motores que alimenta a los siguiente motores:1 motor trifsico de induccin de 25 HP, 220 V, F.P. 0,76.1 motor trifsico de induccin de 20 HP, 220 V, F.P. 0.74.

Se considera que se usaran interruptores termomagnticos, elementos trmicos y conductores THW. Determinar: La proteccin del alimentador. El conductor del alimentador. La proteccin del circuito derivado de cada motor. El conductor del circuito derivado de cada motor. Los rels trmicos de cada motor.

SOLUCION:Proteccin del alimentador = 2.5 Ipc motor mayor + Ipc otros motores

Corriente de cada motor:

I=25 x 0.746=64.4 A3 x 0.22 x 0.76

I=20 x 0.746=52.9 A3 x 0.22 x 0.74

Proteccin del alimentador = 2.5 x 64.4 + 52.9 = 213.9 AEn un catlogo de fabricantes de interruptores.

IN: 15, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300 A

Elegimos interruptor de 225 A

Calibre del conductor alimentador

I cond = 1,25 Ipc mayor motor + I pc otros motoresI = 1.25 x 64.4 + 52.9 = 133.4 A

En tabla 4-V del CNEElegimos conductores 3 x 50 mm ( N 1/0 AWG)

CONDUCTOR THWSeccin (mm)Capacidad en Amp a 75C1625759535120501457018095215120245

Proteccin del circuito derivado de cada motor.

I1 = 2.5 x Ipc = 2.5 x 64.4 = 161 A Interrup. : 175 AI2 = 2.5 x Ipc = 2.5 x 52.9 = 132.2 A Interrup. : 150 A

Conductores de los circuitos derivados.Para el motor de 25 HPI = 1.25 x 64.4 = 80.5 AConductor 3 x 25 mm (N 4 AWG)

Para el motor de 20 HPI = 1.25 x 52.9 = 66.1 AConductor 3 x 16 mm ( N 6 AWG)

Rel trmico.Para el motor 25 HPI t = 1.25 x 64.4 = 80.50 AEn un catalogo de fabricantede rels trmico

Elegimos rel de 73 A (56A - 90 A)Regulamos en 80 A:

Para el motor 20 HP -I t = 1.25 x 52.9 = 66.1 AElegimos rel 73 A (56 A - 90 A) regulamos en 65 A

In del rele(A)Regulacin (A)Mx.Min.32.43.56.35.27.59.27.51113.511161612.52022172629233539304855436573569010780135140110170205160250

DIAGRAMA UNIFILARM173A3 x 50 mm + THW225 A175A3 X 25 mm225 HPM2150 A3 x 16 mm20 HP73 A (56 90A)Reg 65 A(Reg 80A)

Correcccin del Factor de PotenciaFactor de PotenciaCuando la corriente y el voltaje son funciones senoidales y es el angulo de desfasaje entre ellos, el coseno de es el factor de potencia (f.p.).Tambin representa la relacin de la potencia activa entre la potencia aparente.El f.p. depende de la carga conectada al circuito y es el factor que debe aplicarse a la potencia aparente para conocer la cantidad de sta que se est utilizando para producir trabajo:

P = 1.732 V*I cos

Correcccin del Factor de PotenciaFactor de Potencia

P = 1.732 V*I cos Potencia activa (til) Q = 1.732 V*I sen Potencia reactiva S = 1.732 V*I Potencia aparente El cos vara entre 0 y 1. El valor 0 corresponde a cargas puramente inductivas ( inductancias o capacitores) y el valor 1 corresponde a cargas puramente resistivas. IVSQP

Correcccin del Factor de PotenciaInstalaciones con bajo Factor de PotenciaIncremento de prdidas dado que la corriente que circula por los conductores ser mayor para un f.p. bajo que para uno cercano a la unidad.Inversin inicial alta. Cuando el f.p. es bajo, se requiere de mayor potencia aparente (los KVA) para suministrar la componente reactiva, consecuentemente los equipos (generadores, transformadores) sern ms caros.Reduccin de la capacidad de carga del sistema elctrico; mayor corriente reduce la capacidad de reserva de los conductores.Penalizacin por bajo factor de potencia; debido a lo sealado anteriormente, las concesionarias establecen un f.p. lmite (en el Per 0.95) y penaliza econmicamente a los usuarios cuya carga tenga un f.p. menor a este valor.

Correcccin del Factor de PotenciaLas instalaciones elctricas industriales cuya carga est compuesta principalmente por motores de induccin, tienen un factor de potencia atrasado. Por esta razn resulta necesario compensar la carga inductiva con carga capacitiva.La solucin que normalmente resulta ms econmica y sencilla es la colocacin de bancos de capacitores que proporcionen los KVA reactivos necesarios para que el factor de potencia est por arriba de los estipulado en el contrato de suministro. De hecho las concesionarias utilizan este mismo procedimiento para mejorar el factor de potencia de sus redes.La cantidad de KVAR necesario para mejorar el f.p. se obtiene a partir de la potencia reactiva requerida por los equipos que constituyen la instalacin.

Correcccin del Factor de Potencia1

Cos 1 = P/S1 Cos 2 = P/S22

QLQCS1S2P

Correcccin del Factor de PotenciaProblemaUna fbrica relativamente importante en la que se trabaja de lunes a viernes en 2 turnos de 8 horas cada uno, tiene los siguiente consumos:

EA = 243792 Kw-hER = 232618 KVAR-h

Calcular la potencia del condensador en KVAR ( banco de condensadores) que permita corregir el factor de potencia a 0.90.

Correcccin del Factor de PotenciaSolucinClculo del factor de potencia promedio: 243792 Kw-h P = --------------------- = 693 Kw 22 das x 16 hrs/da 232618 KVAR-h Q = --------------------- = 661 KVAR 22 das x 16 hrs/da

P 693 KwCos 1 = ----- = --------------------- = 0.72 S ( 6932 + 6612 )

Correcccin del Factor de Potencia

Cos 2 = 0.90 2 = arc cos (0.90) = 25.84

Q2Tg 2 = ------- Q2 = 335 KVAR P

QC = Q2 - Q1 = 661-335 = 326 KVAR Se puede utilizar 1 bateria de 120 KVAR/fase ( 2 baterias de 2 capacitores de 60 KVAR c/u por fase).

CALIDAD DE LA POTENCIA

ARMNICOS

Son tensiones o corrientes senoidales de frecuencias que corresponden a mltiplos enteros de la frecuencia normal de trabajo (50-60Hz), conocida como fundamental. Se caracterizan por 3 valores: Magnitud, Angulo de fase y Frecuencia.ARMNICOS

5 Armnico3 Armnico

Probabilidad de resonancias serie y paralelo Envejecimiento y reduccin de vida til de equipos Probabilidad de operacin incorrecta de rels, controladores y contadores Incremento de prdidas (efecto Joule) Incremento de ruido e interferencia Existencia de torques pulsantes, acelerantes y de frenado en motores Saturacin de Transformadores Reduccin de la eficiencia del sistema EFECTOS DE LOS ARMNICOS Mala Medicin de Energa Tensiones Inducidas altas Incorrecta operacin de equipos electrnicos Interferencia en Sistemas de Comunicacin

La presencia de armnicos en los sistemas elctricos conlleva a replantear todo lo concerniente a su anlisis (planeacin, operacin, etc). Su omisin en estudios de compensacin, protecciones, etc., puede traer consigo graves consecuencias. A pesar de ello, existe desconocimiento del tema por gran parte de los profesionales de la ingeniera elctrica.

CALENTAMIENTO POR CORRIENTES DE SECUENCIA CERO

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