Tema VII: La mquina asncrona

7.1. Aspectos constructivos: generalidadesCIRCUITOS MAGNTICOSConjunto de chapas de Fe aleado con Si aisladas y apiladas

7.2. Aspectos constructivos: rotor IIFotografas realizadas en los talleres de ABB Service - Gijn

7.2. Rotor III Chapa magnticaBarra de cobrePlato final rotorFijacin chapa magnticaAnillo decortocircuitoDespiece de un rotor de jaula con barras de cobre soldadas Catlogos comerciales

7.2.1 Rotor bobinado: anillos rozantes EscobillasAnillos rozantesAnillos rozantesEl rotor se cierra en cortocircuito desde el exterior a travs de unas escobillas y anillos rozantes L. Serrano: Fundamentos de mquinas elctricas rotativas L. Serrano: Fundamentos de mquinas elctricas rotativas

7.3. Aspectos constructivos: estatorDEVANADO DE HILOTensin2300vEvitar contacto entreconductores a distintatensinLos materiales empleados en los aislamientos son generalmente orgnicosFotografas realizadas en los talleres de ABB Service - GijnFotografas realizadas en los talleres de ABB Service - Gijn

7.3.1. Diferencias entre devanados de hilo y devanados preformadosForma constructivade los devanadosDevanados de HiloDevanados de pletinaBaja tensin < 2kVPotencia < 600CVDevanado aleatoriodentro de la ranuraPletinas de cobre aisladasAlta tensin y potenciaColocacin de bobinasordenada

7.3.2. Elementos del aislamiento estatrico en motores con devanados preformados IHabitualmente se colocandos bobinas por ranura.El aislamiento entre con-ductores elementales esdistinto del aislamiento frente a masaCada espira puede estar constituida por varios conductores elementales

Conductor

elemental

Espira

Cua

Bobina

inferior

Bobina

superior

Ncleo del estator

Aislamiento

Bobinas del estator

MURO AISLANTE: elemento de mayor espesor que separa al conjunto de la bobina del exterior. Debe estar dimensionado para soportar la tensin correspondiente al nivel de aislamiento de la mquina.AISLAMIENTO ENTRE ESPIRAS Y ENTRE CONDUCTORES ELEMENTALES: las espiras pueden estar formadas conductores individuales para reducir las prdidas. Es necesario que exista aislamiento entre ellas y entre conductores.CINTAS Y RECUBRIMIENTOS DE PROTECCIN: se utilizan cintas y recubrimientos protectores para proteger las bobinas en las zonas de ranura.

7.3.2. Elementos del aislamiento estatrico en motores con devanados preformados II

Zona de ranuraCabezade bobina7.3.2. Elementos del aislamiento estatrico en motores con devanados preformados IIIFotografas realizadas en los talleres de ABB Service - Gijn

El nmero de espiras de una bobina vara entre 2 y 12.El nmero de conductores elementales vara entre 2 y 6.Las tensiones soportadas por los conductores elementales son muy bajas.Los conductores elementales se aslan por separado, posteriormente se agrupan en el nmero necesario para formar una espira. Se pliegan para conformar cada espira y finalmente se aplica a la espira el aislamiento correspondiente.Las principales solicitaciones que aparecen sobre este tipo de devanado son de tipo trmico y mecnico (durante el conformado de las espiras).

7.3.2.1. Aislamiento entre espiras y conductores

Poliimida (Kapton) oPoliamida en forma de pelculaPoliimida (Kapton) oPoliamida en forma de pelcula+Fibra de vidrio con polister (Daglas)Motores dehasta 4kVMotores dems de 4kV7.3.2.2. Materiales aislantes para los conductores elementalesHasta los aos40 barnicesFibras de amiantoDesarrollo de materialessintticosUso de barnices solos y combinados

7.3.2.3. Materiales aislantes para el muro aislanteCatlogos comerciales

7.3.2.4. Aglomerantes y materiales soporte I

7.3.2.4. Aglomerantes y materiales soporte IIFotografas realizadas en los talleres de ABB Service - Gijn

Recubrimiento de repartoRecubrimiento conductor enla zona de ranura7.3.2.5. Recubrimientos de proteccinRecubrimientos deproteccinBobina con el recubri-miento externo daadoFotografas realizadas en los talleres de ABB Service - Gijn

7.4. Procesos de fabricacin actuales IPROCESO RICO EN RESINALa mica en forma de lminas se deposita sobre un material impregnado con una resina epoxy que polimeriza a alta temperatura (cinta pre impregnada).Se recubre la bobina con este material.Se introduce en un molde al que se le aplica presin y calor: la temperatura y la presin logran una impregnacin homognea en toda la bobina.El proceso final de polimerizacin de la resina termoestable se consigue sometiendo el motor a elevadas temperaturas en un horno.

7.4. Procesos de fabricacin actuales IIPROCESO VPI EN BOBINAS (Vacuumm Pressure Impregnation)Inicialmente slo se aplica la cantidad de resina termoestable imprescindible para aglomerar la mica (cinta porosa).El resto del aglomerante se introduce despus de haber creado el vaco dentro del tanque en el que se encuentra la bobina.El vaco y posteriormente un gas a presin consiguen que la resina termoestable impregne por completo a la bobina.Una vez impregnadas las bobinas se extraen y se les aplica presin para ajustar su forma y tamao. El curado se realiza a alta temperatura sobre el motor completo.

PROCESO VPI GLOBALLas bobinas se montan en las ranuras antes de haber realizado el proceso de curado de la resina epoxy.Como material soporte se utilizan cintas porosas con bajo contenido en resina epoxy.Una vez colocadas todas las bobinas en sus alojamientos y realizadas las conexiones se introduce el estator en un tanque.A continuacin, se hace el vaco con lo que el tanque se inunda de resina epoxy. El estator se pasa a otro tanque donde se aplica gas a alta presin y temperatura para producir la polimerizacin de la resina.

7.4. Procesos de fabricacin actuales III

Procesos VPIProceso VPI de VonRoll-IsolaCatlogos comerciales

7.5. Aspecto fsico de los mo-tores asncronosCatlogos comercialesCatlogos comerciales

7.5. Aspecto fsico II: motores de BTCatlogos comerciales

7.6. Aspecto fsico III: formas constructivas normalizadasCatlogos comerciales

7.7. Conexin de los devanados

V2

U2

W2

U2

W1

V1

U1

W1

U1

V1

Pletina de

cobre

Caja de

conexiones

W22

U1

U2

V1

V2

W1

W2

V2

Conexin en

estrella

Conexin en

tringulo

Devanados del motor

U1

U2

V1

V2

W1

W2

Cabezas debobinaRefuerzoscarcasaFijacin cojinetesRefuerzos rotorNcleo magntico rotorNcleo magntico estator7.8. Despiece de un motor de MTCatlogos comerciales

7.9. Despiece de un motor de BT Catlogos comerciales

7.10. Principio de funcionamiento IEL ESTATOR DE UN MOTOR ASNCRONO EST FORMADO POR 3 DEVANADOS SEPARADOS EN EL ESPACIO 120. En la figura se representa slo una espira de cada uno de los devanados (RR, SS, TT)LOS 3 DEVANADOS ESTN ALIMENTADOS MEDIANTE UN SISTEMA TRIFSICO DE TENSIONES. POR TANTO, LAS CORRIENTES QUE CIRCULAN POR LAS ESPIRAS SON SENOIDALES Y ESTN DESFASADAS 120

S

R

R

S

T

T

Rotor

Estator

Origen de

ngulos

7.10. Principio de funcionamiento IIFRotorEstatoraSucesivas posicionesdel campoCampogiratorioAvance del campoRotorNS

7.10. Principio de funcio-namiento III: simulacin

7.10. Principio de funcio-namiento III: simulacinT=1 ST=1,015 S

SistemaTrifsicoDevanado trifsicoa 120 Campo giratorio 60f/P FEM inducidapor el campogiratorio en las espiras del rotor Espiras en cortosometidas a tensin Circulacin decorriente por lasespiras del rotorLey de Biot y SavartFuerza sobre lasespiras del rotorPar sobreel rotorGiro de laMquina7.10. Principio de funcionamiento IV

EL MOTOR ASNCRONO SIEMPRE GIRA A VELOCIDAD INFERIOR A LA VELOCIDAD DE SINCRONISMO: EN CASO CONTRARIO NO SE INDUCIRA FUERZA ELECTROMOTRIZ EN EL ROTOR DE LA MQUINA Y, POR TANTO, NO HABRA PAR MOTOR7.10. Principio de funcionamiento VCUANDO TRABAJA EN VACO GIRA MUY PRXIMO A LA VELOCIDAD DE SINCRONISMO. EN ESE CASO, EL NICO PAR MOTOR DESARROLLADO POR LA MQUINA ES EL NECESARIO PARA COMPENSAR LAS PRDIDAS

7.11. Ventajas de los motores de induccinAumento delpar de carga

7.11. Inconvenientes de los motores de induccin

7.12. Deslizamiento en las mquinas asncronasLOS MOTORES DE INDUCCIN TRABAJAN SIEMPRE CON VALORES MUY BAJOS DE S: S

7.13. Frecuencia en el rotor de las mquinas asncronas IFrecuencia FEM inducidaen el rotor

7.13. Frecuencia en el rotor de las mquinas asncronas II

7.14. Circuito equivalente de la mquina asncrona I

LA FEM INDUCIDA EN EL ROTOR ES PROPORCIONAL A LA VELOCIDAD DEL CAMPO RESPECTO AL ROTOR (S) 7.14. Circuito equivalente de la mquina asncrona II

7.14. Circuito equivalente de la mquina asncrona IIISe puede obtener la misma corriente en el mismo circuito alimentado a f1 con slo cambiar RR por RR/S ES POSIBLE OBTENER EL CIRCUITO EQUIVALENTE DE LA MQUINA ASNCRONA TRABAJANDO SLO CON LA FRECUENCIA DEL ESTATOR. BASTA SIMULAR EL EFECTO DEL GIRO CON LA RESISTENCIA RR/S

7.14. Circuito equivalente de la mquina asncrona IV

7.14. Circuito equivalente de la mquina asncrona V

7.14. Circuito equivalente de la mquina asncrona VI

7.14. Circuito equivalente de la mquina asncrona VII

7.14. Circuito equivalente de la mquina asncrona VIIITensinde fase(Estator)El circuito equivalente se planteapor fase y con conexin en estrellaTodos los elementos del circuito con estn referidos al estator

7.14. Circuito equivalente de la mquina asncrona IXCon la carga nominal (S bajo) el circuito el factor de potencia a la entrada es alta (0,8 aprox) En vaco (S=0) la rama del rotor queda en circuito abierto: el circuito es principalmente inductivo fdp 0,1 - 0,2 aprox En un motor asncrono la corriente de vaco no es despreciable

7.15. Clculo de las prdidas en la mquina asncrona ILa potencia que atraviesa el entrehierro es la que disipa en la resistencia total de la rama del rotor (RR/S)

7.15. Clculo de las prdidas en la mquina asncrona II

7.16. Clculo del par de una mquina asncrona ISe puede despreciar Rfe

7.16. Clculo del par de una mquina asncrona II

7. 17. Curvas de respuesta mecnica par - velocidad I

7. 17. Curvas de respuesta mecnica par - velocidad IILa caracterstica mecnica de los motores de induccin es prcticamente lineal entre vaco y plena carga El par mximo suele ser de 2 a 3 veces el nominal El par de arranque tiene que ser superior al nominal para permitir que el motor se ponga en marcha Para un determinado deslizamiento el par vara con el cuadrado de la tensin

7.17. Curvas de respuesta mecnica par - velocidad IIICatlogos comerciales

7.17. Curvas de respuesta mecnica par - velocidad IVCatlogos comerciales

7.18. Par mximo de un motor de induccin IEl par ser mximo cuando Pg sea mxima, es decir cuando se transfiera a RR/S la mxima potenciaTEOREMA TRANSFERENCIA MX. POT

7.18. Par mximo de un motor de induccin IIEsta propiedad se usa para el arran-que mediante insercin de resisten-cias en mquinas de rotor bobinado

7.19. Ensayo de rotor libreEn vaco S0:Al no circular corriente por RR puede considerarse que en este ensayo las prdidas en el Cu son slo las del estator

7.20. Ensayo de rotor bloqueado ITensin de ensayomuy reducidaCorriente por XdespreciableMuy pocas prdidas FeRfe despreciable

7.20. Ensayo de rotor bloqueado IICLCULO PARMETROS CIRCUITO EQUIVALENTE

CLCULO PARMETROS CIRCUITO EQUIVALENTE7.20. Ensayo de rotor bloqueado III

7.21. Caractersticas funcionales de los motores asncronos IFabricante: EMODPotencia: 7,5 kWTensin: 380 VCorriente: 17 AVelocidad : 946 RPMPolos: 6

Fabricante: EMODPotencia: 7,5 kWTensin: 380 VCorriente: 17 AVelocidad : 946 RPMPolos: 67.21. Caractersticas funcionales de los motores asncronos II

Fabricante: EMODPotencia: 7,5 kWTensin: 380 VCorriente: 17 AVelocidad : 946 RPMPolos: 67.21. Caractersticas funcionales de los motores asncronos III

Fabricante: EMODPotencia: 7,5 kWTensin: 380 VCorriente: 17 AVelocidad : 946 RPMPolos: 67.21. Caractersticas funcionales de los motores asncronos IV

Fabricante: EMODPotencia: 7,5 kWTensin: 380 VCorriente: 17 AVelocidad : 946 RPMPolos: 67.21. Caractersticas funcionales de los motores asncronos V

7.21. Caractersticas funcionales de los motores asncronos VIVELOCIDADES DE GIRO TPICAS Fuente: ABB Guide for selecting a motor

7.21. Caractersticas funcionales de los motores asncronos VIIFabricante: EMODPotencia: 7,5 kWTensin: 380 VCorriente: 17 AVelocidad : 946 RPMPolos: 6

7.22. Control de las caractersticas mecnicas de los motores de induccin mediante el diseo del rotor IEL RENDIMIENTO DEL MOTOR ES BAJOSi la resistencia rotrica es elevada el par de arranque del motor tambin lo esSi la resistencia rotrica es elevada el par mximo del motor aparece con deslizamiento elevado

7.22. Control de las caractersticas mecnicas de los motores de induccin mediante el diseo del rotor IIMotor con RR elevadaMotor con RR baja

7.22. Control de las caractersticas mecnicas de los motores de induccin mediante el diseo del rotor IILa seccin y geometra de las barras rotricas determina sus propiedades elctricas y la forma de variacin de stas con la velocidad de giro de la mquinaA menor seccin mayor RR

7.22. Control de las caractersticas mecnicas de los motores de induccin mediante el diseo del rotor IIICircuito equivalente de una barra rotrica

frotor ELEVADAARRANQUES VALORES ELEVADOSReduccin seccin til: aumento RRAumento del par de arranqueEfecto de la reactancia de dispersin (2frotor*Ldispersin)MUY ACUSADOLa corriente circula slo por la parte ms externa de la barraCONDICIONES NOMINALESS VALORES BAJ0Sfrotor BAJAMejora del rendimientoAumento seccin util: Reduccin RR y ParLa corriente circula por toda la seccin de la barraEfecto de la reactancia de dispersin (2frotor*Ldispersin)MUY POCO ACUSADO

Simulacin del efecto realMOTOR SIMULADOFabricante: SIEMENSPotencia: 11 kWTensin: 380 VCorriente: 22 AVelocidad : 1450 RPMPolos: 4

A

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

Iinf

Isup

Itotal

41.93%

60.69%

N barra

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

Itotal

Isup

Iinf

24.35%

75.65%

A

N barra

LNEAS DE CAMPO DURANTE EL ARRANQUESimulacin del campo real durante un arranque

7.23. Clasificacin de los motores segn el tipo de rotor: Normas NEMA I

7.23. Clasificacin de los motores segn el tipo de rotor: Normas NEMA II

7.24. Caractersticas mecnicas de las cargas ms habituales de los motores de induccin

7.25. El arranque de los motores asncronos I

LA CORRIENTE MXIMA NO DE-PENDE DE LA CARGAFabricante: EMODPotencia: 7,5 kWTensin: 380 VCorriente: 17 AVelocidad : 946 RPMPolos: 6

7.25. El arranque de los motores asncronos IIEl reglamento de BT establece lmites para la corriente de arranque de los motores asncronas. Por este motivo, es necesario disponer procedimientos especficos para el arranqueSlo vlido en motores pequeos o en las centrales elctricasSlo vlido en motores de rotor bobinado y anillos rozantesEl mtodo ms barato y utilizadoReduccin de la tensin durante el arranque mediante autotrafoGobierno del motor durante el arranque por equipo electrnico

7.25. El arranque de los motores asncronos IIIPAR DE ARRANQUEPar de un motor asncrono. En el arranque S=0Corriente rotrica. En el arranque S=0

7.25. El arranque de los motores asncronos V: arranque por insercin de resistencias rotricasRR1ParSRR2RR3Para el arranque de la mquina se introducen resistencias entre los anillos rozantes que se van eliminando conforme aumenta la velocidad de giroSlo vale para los motores de rotor bobinado y anillos rozantes

7.25. El arranque de los motores asncronos VI: arranque mediante autotrafoPara el arranque de la mquina se introduce un autotransformador reductor (rt>1) Inicialmente C1 y C2 estn cerrados: el motor arranca con la tensin reducida En las proximidades de plena carga C2 se abre: el motor soporta una tensin ligeramente inferior a la red debido a las cadas de tensin en el devanado del autotrafo Se cierra C3: el motor soporta toda la tensin de la red

Fases del arranque con autotransformador

7.25. El arranque de los motores asncronos VII: arranque estrella - tringuloEl arranque estrella - tringulo consiste en conectar los devanados del motor en estrella para arrancar la mquina conmutando a conexin en tringulo una vez que la mquina ha elevado su velocidad El motor conectado en estrella consume menos corriente y entrega menos par. De este modo, se limita la corriente de arranque.

7.25. El arranque de los motores asncronos VII: arranque estrella - tringulo

Esta relacin es vlida para las dos conexiones. La corriente que aparece en ella es la que circula por Zcc

ArrancadoresestticosCatlogos comercialesCatlogos comerciales

7.26. El frenado elctrico de los motores asncronos IExisten aplicaciones en las que es necesario poder aplicar un par de frenado al motor que permita detenerlo rpidamente: ascensores, gras, cintas transportadoras, traccin elctrica, etc. En este caso, las propiedades elctricas de la mquina se utilizan para lograr el frenado.

7.26. El frenado elctrico de los motores asncronos IIPara frenar se modifican las conexiones del estator pasando de P polos a 2P polos. El frenado se consigue al convertirse el motor en generador. La energa generada se disipa en resistencias o se devuelve a la red

7.26. El frenado elctrico de los motores asncronos IIIFuncionamiento normal: giro en un sentidoFrenado a contracorriente: inver-sin del sentido de giro

7.26. El frenado elctrico de los motores asncronos IVEl FRENADO DINMICO consiste en dos acciones sobre el funcionamiento del motor: eliminacin de la alimentacin en alterna e inyeccin de CC por el estator.La inyeccin de CC provoca la aparicin de un campo de eje fijo que genera un par de frenado

7.27. Clculo de tiempos de arranque y frenado

7.28. La variacin de velocidad de los motores asncronos IVariacin de la velocidad de giro de la mquinaVariacin de la velocidad del campo giratorioVariar PVariar fCambio en la conexin del estatorVariacin discreta de la velocidadSlo posible 2 o 3 velocidades distintasMotores con devanados especialesEquipo elctrnico para variar frecuencia de redControl de velocidad en cualquier rango para cualquier motor

7.28. La variacin de velocidad de los motores asncronos II: mtodos particularesBAJO RANGO DE VARIACINREDUCCIN DEL PAR MOTORBAJO RANGO DE VARIACIN

7.28. La variacin de velocidad de los motores asncronos III: Variacin de la frecuenciaAl reducir la frecuencia aumenta el flujo. Para evitar que la mquina se sature es necesario mantener la relacin V/f constante: al disminuir f se aumenta V y viceversa

7.28. La variacin de velocidad de los motores asncronos III: variacin de la frecuenciaINVERSOR PWM

Funcionamiento del inversor I

Funcionamiento del inversor IIEl disparo de los IGBTs se realiza utilizando una tcnica conocida como PWM (Pulse width modulation) que consiste en comparar una seal (portadora) triangular con una seal (moduladora) senoidalDe esta comparacin se obtiene una seal similar a la senoidal pero escalonada para cada una de las fases del inversorVariando la amplitud y frecuencia de moduladora y portadora es posible obtener seales de distinta frecuencia y tensin a la salida del inversor

Funcionamiento del inversor IIISeales modula-dora y portadoraTENSIN DE SALIDA EN LA FASE R12Cuando triangular < senoidal dispara el 1

Variadoresde velocidadCatlogos comerciales

7.29. Seleccin de un motor para una aplicacin especficaABB Guide for selecting a motor

7.30. La mquina asncrona como generadorEn la actualidad existen mquinas con doble alimentacin rotor estator para mejorar el rendimiento en generacin elica e hidrulica

Tema VIII: La mquina sncrona

8.1. La mquina sncrona: generalidades ILa mquina sncrona utiliza un estator constituido por un devanado trifsico distribuido a 120 idntico a la mquina asncronaEl rotor est formado por un devanado alimentado desde el exterior a travs de escobillas y anillos rozantes mediante corriente continuaEl rotor puede ser liso o de polos salientesIndustrialmente es el generador utilizado en la mayora de las centrales elctricas: turboalternadores y grandes alternadores hidrulicosComo motor se usa principalmente cuando la potencia demandada es muy elevada >1 MW

8.1. La mquina sncrona: generalidades II

Motores sncronosCatlogos comerciales

Generadores sncronos I L. Serrano: Fundamentos de mquinas elctricas rotativas L. Serrano: Fundamentos de mquinas elctricas rotativas L. Serrano: Fundamentos de mquinas elctricas rotativas

Generadores sncronos II L. Serrano: Fundamentos de mquinas elctricas rotativas Mulukutla S. Sarma: Electric machines

Corte transversal de una central hidrulicaRotor Mulukutla S. Sarma: Electric machines

ESTATOR= Devanado trifsicodistribuido alimentado con unsistema trifsico de tensionesROTOR= Devanado alimentadocon corriente continua que creaun campo magntico fijoCAMPO MAGNTICO GIRATORIOINTERACCIN ROTOR - ESTATORPAR MOTOR Y GIRO DE LA MQUINA8.2. Principio de funcionamien-to: motorControlando la excitacin (tensin de alimentacin del rotor) se consigue que la mquina trabaje con cualquier factor de potencia: PUEDE ABSORBER O CEDER Q

ESTATOR= Devanado trifsicodistribuido conectado a la cargao red que se desea alimentarROTOR= Devanado alimentadocon corriente continua que creaun campo magntico fijo. Sehace girar por un medio externoTRANSFORMACIN DE ENERGA MECNICA EN ENERGA ELCTRICA8.3. Principio de funcionamien-to: generadorPara conectar el generador a una red es necesario que gire a la velocidad de sincronismo correspondiente a la frecuencia de dicha redControlando la excitacin (tensin de alimentacin del rotor) se consigue que la mquina trabaje con cualquier factor de potencia: PUEDE ABSORBER O CEDER QEl campo creado por el rotor, al girar, induce FEM en el estator y, por tanto, hace circular corriente por la carga

8.4. Circuito equivalente (por fase) de la mquina sncronaLa FEM E es proporcional a la corriente de excitacin del rotor. En fun-cionamiento como generador representa a la tensin que se induce en el estator y en funcionamiento como motor a la fuerza contraelectro-motriz que es necesario vencer para que circule la corriente que alimenta al motorReactancia sncrona= reactancia dispersin estator+efecto de reaccin de inducidoReactancia sncronaResistencia estator

8.5. El generador sncrono en vacoCuando el generador trabaja en vaco no hay cada de tensin: la tensin de salida coincide con la FEM E

8.6. El generador sncrono en carga: reaccin de inducido ICuando el alternador trabaja en vaco el nico flujo existente es el producido por la corriente continua de excitacin del rotorEl flujo total de la mquina se ver disminuido o aumentado dependiendo que la carga sea inductiva o capacitivaCuando suministra corriente a una carga, dicha corriente produce un campo magntico giratorio al circular por los devanados del estator. Este campo produce un par opuesto al de giro de la mquina, que es necesario contrarrestar mediante la aportacin exterior de potencia mecnica. A este efecto creado por el campo del estator se le conoce con el nombre de reaccin de inducido

8.6. El generador sncrono en carga IIPARA UNA MISMA TENSIN DE SALIDA EL GENERADOR PUEDE CEDER O ABSORBER POTENCIA REACTIVA DEPENDIENDO DE QUE LA CARGA SEA INDUCTIVA O CAPACITIVAPara conseguirlo basta modificar el valor de la E (modificando el campo de excitacin)

8.6.1. El generador sncrono en carga: funcionamiento aisladoLa tensin de alimentacin puede variarEl factor de potencia de la carga es fijoAumento en la excitacinAumento en la tensin de salidaAumento en potencia mecnicaAumento en la velocidad de giroAumento en la frecuencia

8.6.1. El generador sncrono en carga: conexin a red de P. infinitaLa tensin de alimentacin EST FIJADA POR LA REDLa frecuencia EST FIJADA POR LA REDAumento en la excitacinAumento en la POTENCIA REACTIVA ENTREGADAAumento en potencia mecnicaAumento de la POTENCIA ACTIVA ENTREGADA

LA TENSIN U EST FIJADA POR LA REDNORMALAUMENTO CORRIENTEAUMENTO DEL NGULO AUMENTO DE LA POTENCIA REACTIVA SUMINISTRADAREDUCCIN DE LA POTENCIA REACTIVA SUMINISTRADA

8.7. Variacin de la velocidad en los motores sncronosMotores gran potenciaINVERSORESCICLOCONVERTIDORESMotores baja potenciaUTILIZACIN DEEQUIPOS ELECTRNICOS APLICACIONES DE ELEVA-DA POTENCIA (>1 MW): GRANDES MQUINAS (Soplantes, compresores, etc.) Y PROPULSIN ELCTRICA BUQUES

Cicloconvertidor fabricado por ABB para el control de motores sncronos de hasta 14 MWCicloconvertidores

8.8. Funcionamiento del cicloconvertidorSISTEMA DE TENSIONES TRIFSICO QUE ALIMENTA AL CICLOCONVERTIDOR(Frecuencia de red y amplitud constante)

M/S FANTASYPlanta generadoraMotorestransversalesPlanta generadora: 4 Generadores sncronos de 10,3 MVA 2 Generadores sncronos de 6,8 MVA Tensin=6,6 kVMotores: Sncronos de doble devanado controlados con cicloconvertidores 2 Motores principales de 14 MW refrigerados por agua 6 Motores transversales de 1,5 MWTipo de propulsin: Diesel-elctrica 4 Motores principales 2 Motores auxiliares Hlices de paso variableMotorestransversalesPROPULSIN ELCTRICACatlogos comerciales

Tema IX: Aparamenta de proteccin y maniobra asociada a las mquinas elctricas

Elementos que protegen a las personasElementos de control que gobiernan el funcionamiento de los receptoresElementos de maniobra que permiten conectar, desconectar y alterar el funcionamiento de los receptoresReceptores: elementos que se alimentan con la potencia suministrada por la redElementos que protegen a la instalacin: (proteccin de conductores y receptores)9.1. Elementos de una instalacin elctricaConductores que transmiten la energa elctrica a los receptores

9.2. Aparamenta elctricaConjunto de aparatos de maniobra, proteccin, medida, regu-lacin, y control, incluidos los accesorios de las canalizaciones elctricas utilizados en instalaciones de baja y alta tensin.La aparamenta elctrica se define a partir de los valores asig-nados a algunas de sus magnitudes funcionales (tensin co-rriente, potencia, temperatura, etc.). Estos valores son los llamados valores nominales o asignados.Se denomina valor nominal de una cualidad determinada de un aparato al valor de la magnitud que define al aparato para esa cualidad.El fabricante de la aparamenta, los criterios de diseo y la normativa vigente definen cuales deben ser los valores nonimales para las distintas magnitudes de cada aparato.

9.3. Magnitudes de la aparamenta elctrica ITensin nominal: mxima tensin asignada por el fabricante para el material del que est construido el dispositivo. Suele estar ligada al aislamiento y a otras caractersticas funciona-les dependientes de la tensin. Corriente nominal: mxima corriente que se puede mante-ner de forma indefinida sin que supere la mxima tempera-tura establecida en las normas ni se produzca ningn tipo de deterioro. Existen valores normalizados, por ejemplo, para interruptores automticos y diferenciales: 6A, 10A, 16A, etc.Mxima intensidad trmica: mxima corriente que puede circular por un dispositivo durante un tiempo prolongado (especificado por el fabricante) sin producir calentamiento excesivo que genere daos.

9.3. Magnitudes de la aparamenta elctrica IIMxima corriente de sobrecarga: valor mximo de la corrien-te que se puede soportar durante una sobrecarga. Este valor debe ir asociado al tiempo de duracin de la sobrecarga. Nivel de aislamiento: se define por los valores de las tensio-nes utilizadas en los ensayos de aislamiento a frecuencia in-dustrial y ante ondas tipo rayo. Estos valores indican la capa-cidad del aparato para soportar dichas sobretensiones.Poder de cierre: mximo valor de la intensidad sobre la que puede cerrar correctamente un interruptor, contactor o rel.Poder de corte o capacidad nominal de ruptura: mximo valor de la intensidad que un interruptor, contactor, rel o fusible es capaz de abrir sin sufrir daos.

9.4. Solicitaciones a las que est sometida la aparamenta elctricaCalentamiento: la aparamenta elctrica est sometida al calentamiento derivado del efecto Joule y de las prdidas causadas por efectos magnticos (corrientes parsitas) y prdidas en los aislantes (prdidas dielctricas).Aislamiento: la aparamenta elctrica padece los proble-mas derivados de la influencia del medio ambiente y las alteraciones producidas por el tiempo en los materiales aislantes slidos lquidos y gaseosos.Esfuerzos mecnicos: el problema de los esfuerzos mec-nicos tiene su origen en las fuerzas electrodinmicas que se manifiestan entre conductores prximos cuando son recorridos por corrientes elctricas y en las dilataciones que experimentan al calentarse.

9.5. Aparamenta de maniobraObjetivo: establecer o interrumpir la corriente en uno o varios circuitos bajo las condiciones previstas de servicio sin daos para el dispositivo de maniobra y sin perturbar el funcionamiento de la instalacin.Aplicacin: conexin y desconexin de consumidores. Revisiones peridicas de la instalacin y los elementos del sistema.Tipos de maniobra: existen dos tipos de maniobra segn que circule corriente o no ( o la tensin entre contactos sea despreciable) por el elemento de maniobra cuando se produzca sta: maniobras en vaco y en carga.Dispositivos de maniobra:Seccionador (maniobras en vaco)Interruptor (maniobras en carga)Contactor (maniobras en carga)

9.5.1 Seccionadores IDispositivo mecnico de conexin que, por razones de seguridad, asegura, en posicin de abierto, una distancia de seccionamiento que satisface unas determinadas condiciones de aislamiento.El seccionador SLO es capaz de abrir o cerrar el circuito cuando la corriente es despreciable o no hay diferencia de potencial entre sus contactos. Las condiciones DE AISLAMIENTO que debe satisfacer se refieren a la capacidad de soportar determinados valores de las tensiones tipo rayo y de maniobra.NO TIENE PODER DE CIERRE NI DE CORTE, debe trabajarsin carga. Se utiliza para garantizar la desconexin de la instalacin cuando se realizan trabajos sobre ella

Los seccionadores tienen 2 estados lgicos: abierto y cerradoFsicamente estn constituidos por un conjunto de cuchillas y unos elementos aislantes.Se accionan manualmente y su velocidad de operacin es la que les aplique el operador (en ocasiones se emplean muelles para acelerar la maniobra).Son dispositivos de seguridad que indican claramente la posicin de sus contactos para mostrar si la instalacin est conectada o noSi se maniobran con la instalacin en carga se produce su destruccin (salvo en seccionadores especiales diseados para trabajar en carga)9.5.1 Seccionadores II

9.5.1 Seccionadores IIICuanto ms rpido se realice la maniobra antes se extingue el arcoSe introducen resortes de forma que la separacin de las cuchillas de los contactos tiene lugar cuando se vence la fuerza recuperadora del muelleLa apertura se produce de golpe aunque el usuario desplace la palanca lentamente Curso de aparamenta elctrica: Merlin Gerin

9.5.1 Seccionadores IVSeccionadores con fusibles para baja tensinCatlogos comerciales

9.5.2 Interruptores IInterruptor: aparato mecnico de conexin capaz de estable-cer, soportar e interrumpir la corriente del circuito en condi-ciones normales y circunstancialmente en condiciones de fallo (cortocircuito).Interruptor automtico o disyuntor: interruptor diseado para interrumpir corrientes anormales como las de cortocircuito. Pequeo interruptor automtico: aparato mecnico de cone-xin destinado a abrir y cerrar manualmente un circuito y a-brirlo en funcionamiento automtico cuando la intensidad ex-cede un valor determinado. (aplicable cuando V

9.5.2 Interruptores IIInterruptores automticos: SON DISPOSITIVOS DE PROTECCIN Catlogos comercialesCatlogos comerciales

9.5.3 Contactores ISlo tiene una posicin de trabajo estableSlo permanece en la posicin activa mientras recibe energaSoporta un elevado n de ciclos de cierre y apertura

9.5.3 Contactores IIElectromagnticos: la fuerza necesaria para cerrar el circui-to proviene de un electroimn.Neumticos: La fuerza para efectuar la conexin proviene de un circuito de aire comprimido.Electroneumtico: muy similar al anterior: el circuito de aire comprimido est gobernado por electrovlvulas.Contactor con retencin: es aquel en el que, alcanzada la posicin de trabajo, al ser alimentado el dispositivo de accionamiento, un sistema de retencin impide su retorno cuando se deja de alimentar. La retencin y liberacin para recuperar la posicin de reposo pueden ser mecnicas, magnticas, elctricas, neumticas etc.TIPOS DE CONTACTORES

9.5.3 Contactores IIICircuito de arranque y parada de un motor trifsico mediante contactor con contactos auxiliares

Pulsador

de marcha

Pulsador de paro

Contacto auxiliar

N

M

Armadura

mvil

Armadura fija

Resorte

S

T

R

9.5.3 Contactores IVCatlogos comerciales

9.5.4 Dispositivos para la protec-cin contra sobreintensidadesSobrecargas: corrientes mayores que la nominal que se mantienen durante largo tiempo. Provienen de un mal dimensionado de la instalacin. Producen aumento de las prdidas y de la temperaturaCortocircuitos: corrientes muy elevadas debidas a fallos de aislamiento, rotura de conductores, averas en equipos, errores humanos etc.Cortacircuitos fusiblesInterruptores de potenciaCombinaciones de maniobraLos cortocircuitos producen los mximos esfuerzos trmicosy electrodinmicos de la instalacin, por tanto, deben ser eliminados en un tiempo lo ms breve posibleSOBREINTENSIDADES

9.5.4.1. Cortacircuitos fusibles IPermiten desconectar corrientes muy elevadas en un espacio mnimo.Constan de un elemento fusible y de un medio de extincin del arco (are-na de cuarzo).Cuanto mayor sea la co-rriente de defecto antes se funde el elemento fusible.Slo se pueden utilizar una vez.Se caracterizan por su elevada capacidad de ruptura.

9.5.4.1. Cortacircuitos fusibles IIttEl fusible funde antes de que se alcance el valor mximo de IS

9.5.4.1. Cortacircuitos fusibles IIICurvas caractersticas

5

104

103

102

Corriente (A)

101

Tiempo de fusin ts (s)

5

5

Banda de tolerancia

Caracterstica

de fusin

2

2

2

104

103

102

101

100

10-1

10-2

Corriente mni-ma de fusin

9.5.4.1. Cortacircuitos fusibles IV Fusibles de rango completo: pueden ser cargados permanentemente con su corriente nominal y son capaces de interrumpir corrientes desde la co-rriente mnima de ruptura hasta su poder de corte. Fusibles de rango parcial: pueden ser permanentemente cargados con su corriente nominal e interrumpen corrientes a partir de un determinado mltiplo de su intensidad nominal hasta el poder de corte.

9.5.4.2. Rels trmicos IBimetalBobinasRel trmico bimetlico Curso de aparamenta elctrica: Merlin Gerin

9.5.4.2. Rels trmicos IILa corriente regulada es aquella para la que se ha ajustado el disparo del rel trmico Ir.Para valores de la co-rriente menores que Ir el rel no dispara.Para corrientes mucho mayores que Ir el tiem-po necesario para el dis-paro es cada vez menor.

9.5.4.3. Interruptores magne-totrmicos o de potencia ITienen como funcin proteger los circuitos contra sobrecar-gas, cortocircuitos o subtensin Llevan incorporados dispositivos que miden la corriente y la tensin de la instalacin para detectar las situaciones an-malas y actuar en consecuencia desconectando los circuitosEl cierre suele ser manual y la apertura automticaSu capacidad nominal de ruptura o poder de corte debe ser mayor que la corriente inicial simtrica de cortocircuito (co-rriente de cortocircuito que se establece en los primeros ci-clos a continuacin de producirse el fallo)

Para realizar la proteccin simultnea contra sobrecargas y cortocircuitos los interruptores incorporan un dispositivo de proteccin trmico como los rels y uno de tipo magntico

9.5.4.3. Interruptores magne-totrmicos o de potencia IIElemento de disparo trmico: el elemento de disparo trmico es un rel trmico que se encarga de actuar cuando se produ-ce una sobrecarga.Elemento de disparo magntico: el elemento de disparo mag-ntico es una bobina por la que circula la corriente a contro-lar. Cuando la corriente alcanza un determinado mltiplo de la intensidad nominal la bobina atrae a una pieza metlica cuyo movimiento provoca el disparo de la proteccin. Su mi-sin es la proteccin contra cortocircuitos.La curva caracterstica de respuesta de un interruptor magne-totrmico consta de dos zonas una para el disparo trmico y otro para el magntico.

Ir: Corriente de reaccin de disparo por sobrecargaIm: Corriente de reaccin de disparo por cortocircuito9.5.4.3. Interruptores magne-totrmicos o de potencia IIIExisten interruptores con Im ajustable

9.5.4.3. Interruptores magne-totrmicos o de potencia IVInterruptores automticos para la proteccin de circuitos con elevadas corriente de cortoInterruptores automticos para la proteccin de motores contra cortocircuitosCatlogos comerciales

9.5.4.4. Comparativa entre la protec-cin mediante fusibles e interruptores de potenciaFUSIBLE

Corriente

Tiempo

CNRFUS

CNRINT

IrINT

IrFUS

Im

9.5.4.5. TermistoresTermistores NTC y PTC: semiconductores con com-portamiento equivalente a resistencias de alto coefi-ciente trmico (negativo/positivo)Su resistencia elctrica decrece muy bruscamente con la subida de TEsta variacin permite de-tectar la evolucin trmica del equipo que protegenSe conectan al circuito de mando y partir de una cierta T (resistencia) realizan la desconexin

Tema X: Riesgos derivados del uso de la corriente elctrica y dispositivos para la proteccin de personas y equipos

10.1. Riesgos derivados del uso de la corriente elctrica ILa utilizacin de la electricidad puede provocar daos a equipos y personas: Riesgos de incendio y explosin Riesgos de Electrizacin y Electrocucin Curso multimedia grupo Schneider Curso multimedia grupo Schneider

10.1. Riesgos derivados del uso de la corriente elctrica IIUn cable mal aislado, una conexin defectuosa y una parte de la corriente que circula por la instalacin encuentra un camino a tierra a travs de materiales ms o menos conductores que calientan aquello con lo que entren en contacto (polvo, serrn aislantes, etc.)Es el inicio de un incendio, sin embargo, es posible evitarlo si se detecta la fuga de corrienteRiesgo de incendio Curso multimedia grupo Schneider

10.1. Riesgos derivados del uso de la corriente elctrica IIIEl riesgo de electrizacin no est relacionado exclusivamente con el valor de tensin aplicada al cuerpo humano, sino con el de la corriente que puede atravesarlo y la duracin del contactoLa resistencia que opone el cuer-po al paso de la corriente depen-de de: La tensin Estado y humedad de la piel Tipo de contacto con el suelo Curso multimedia grupo Schneider

10.1. Riesgos derivados del uso de la corriente elctrica IV50 mA en corriente continua y 25 mA en corriente alterna son los lmites admisibles por debajo de los cuales no se producen daos irreversiblesUna tensin inferior a 50 V en un entorno seco y a 25 V en un entorno hmedo NO SUPONEN PELIGRO ALGUNO Curso multimedia grupo Schneider

10.1. Riesgos derivados del uso de la corriente elctrica V30 mA es el umbral de la fibrilacin ventricular, principal causa de muerte por choque elctrico.Las paradas cardiacas, paradas respiratorias y quemaduras graves pueden producirse sin fibrilacin Curso multimedia grupo Schneider

10.2. Contactos directos e indirectos ISe produce un contacto directo cuando una persona entra en contacto con un punto de la instalacin sometido directamente a tensinEl rgimen de neutro ms frecuente es el rgimen TT (neutro conectado tierra)A la forma de conexin del neutro del transformador y de las cargas se denomina rgimen de neutro Curso multimedia grupo Schneider

10.2. Contactos directos e indirectos IISe produce un contacto indirecto cuando una persona entra en contacto con una masa de la instalacin sometida a tensin como consecuencia de un fallo de aislamiento Curso multimedia grupo Schneider

10.3. Proteccin contra con-tactos directos e indirectos IPara realizar la proteccin contra contactos directos se instalan interruptores diferenciales (DDRs) que detectan la circulacin de corriente a tierra a travs del contacto realizado por la persona y eliminan la alimentacin de la instalacin Curso multimedia grupo Schneider

10.3. Proteccin contra con-tactos directos e indirectos IILos DDRs tambin realizan la proteccin contra contactos indirectos eliminando la alimentacin del equipo averiado cuando se produce la circulacin de corriente de defecto Curso multimedia grupo Schneider

10.4. Principio de funcionamiento de un dispositivo de proteccin diferencial residual DDR

r

t

N2/2

s

N1

N1

VS

T

N1

VR

VT

R

S

T

Vt2

S

R

N2/2

N2/2

N2/2

N2/2

N2/2

Vt1

Vs2

Vr2

Vs1

Vr1

Secundario del transformador

Carga trifsica

Neutro a tierra

R

S

T

N

IR

IS

IT

IN

IT

IT

Los DDRs realizan la vigilancia de la instalacin disparando cuando la suma de las corriente que atraviesan su transformador toroidal no es cero

r

t

N2/2

s

N1

N1

VS

T

N1

VR

VT

R

S

T

Vt2

S

R

N2/2

N2/2

N2/2

N2/2

N2/2

Vt1

Vs2

Vr2

Vs1

Vr1

Secundario del transformador

Carga trifsica

Neutro a tierra

R

S

T

N

IR

IS

IT

IN

IT

IT

Fallo a tierra

Fallo a tierra

ID

ID

Bloque de Tratamiento de la Seal + Rel de Medida y Disparo Dispositivo de Maniobra2. Comparacin con el valor de la corriente de funcionamiento diferencial3. Apertura del circuito cuando se sobrepase el valor de la corriente de fun- cionamiento diferencialCaptador1. Seguimiento de la corriente de defecto10.5. Elementos que constituyen un DDR II

ToroideDevanado primarioCaptador: El Transformador toroidalCatlogos comercialesCatlogos comerciales

10.5. Elementos que constituyen un DDR IISin fallo de aislamiento:s= R- N= 0Con fallo de aislamiento:s= R- N 0

10.6. Dispositivos diferenciales residuales DDRsCatlogos comerciales

10.7. Aparamenta asociada a los transformadoresRELS TRMICOS y RELS DE IMAGEN TRMICA: proteccin contra sobrecargas. Los rels de imagen trmica se usan slo en transformadores de gran potencia. Son dispositivos cuya tempe-ratura vara de forma idntica a la del elemento que protegenREL DE BUCHHOLZ: dispositivo que detecta las burbujas producidas como consecuencia de cualquier fallo interno que produzca descargas elctricasINTERRUPTOR DIFERENCIAL (DDR): proteccin contra CONTACTOS INDIRECTOS y FALLOS DE AISLAMIENTOCONTACTORES: conexin y desconexin de la redSECCIONADORES: aislamiento de la instalacinRELS MAGNTICOS TEMPORIZADOS: proteccin contra cortocircuitosFUSIBLES: pueden sustituir a los rels para la eliminacin de cortocircuitos

10.8. Aparamenta asociada a los motores elctricosTERMISTORES: proteccin de los devanados: disparo de la alimentacin si se supera la temperatura correspondiente a la clase de aislamiento del motorINTERRUPTOR MAGNETOTRMICO: proteccin del motor contra: SOBRECARGAS, CORTOCIRCUITOS, y BLOQUEO DEL EJE POR CAUSAS EXTERNASINTERRUPTOR DIFERENCIAL (DDR): proteccin contra CONTACTOS INDIRECTOS y FALLOS DE AISLAMIENTOLA CARCASA DEL MOTOR SE CONECTA-R SIEMPRE A TIERRA A TRAVS DEL DDRCONTACTORES: maniobras marcha y parada de la mquinaFUSIBLES: pueden sustituir al interruptor de potencia para la eliminacin de cortocircuitos