ELECTRICIDAD INDUSTRIAL II

1.1.- CONCEPTOS PREVIOS.

En electrotecnia se consideran tres tipos de cargas:- Carga resistivaComo la plancha eléctrica, estufa, cocina eléctrica, lámpara incandescente, therma eléctrica, etc. La corriente está en fase con la tensión. Esta carga conectada a una fuente de C.A. produce luz incandescente y/o torque y/o calor.

- Carga inductivaComo motores eléctricos, transformadores, reactores y en general, toda carga que posea bobinado. La corriente se atrasa a la tensión. Esta carga conectada a una fuente de C.A. produce campo magnético también variable.

- Carga capacitivaComo los condensadores. La corriente se adelanta a la tensión. Esta carga conectada a una fuente de C.A. produce campo eléctrico variable entre las placas del condensador.

Para el estudio de la resistencia eléctrica en corriente alterna, se consideran cuatro conceptos:

- Resistencia óhmica (R).- Es la oposición que ofrece un cuerpo al paso de la corriente eléctrica y se mide en ohmios.

- Reactancia inductiva (XL).- Es el efecto resistivo que aparece en una bobina cuando se le aplica corriente alterna y se mide en ohmios.

- Reactancia capacitiva (Xc).- Es el efecto resistivo que aparece en el condensador cuando se le aplica corriente alterna y se mide en ohmios.

- Impedancia (Z).- Es el efecto resistivo total que ofrece un circuito al paso de la corriente alterna y se mide en ohmios.

Para el estudio de la potencia eléctrica en corriente alterna, se consideran tresConceptos:

- Potencia activa (P).- Es la potencia que la carga absorbe de la red y la transform en calor y/o luz incandescente y/o torque, es decir, trabajo útil. Se expresa en Watts o Vatios (W).

- Potencia reactiva (Q).- Es la potencia que la carga absorbe de la red y la transforma en campo magnético variable en las bobinas (QL ) o campo eléctrico variable (QC) en los condensadores. Se expresa en Voltamperios reactivos (VAR).

- Potencia aparente (S).- Es la potencia total que la carga absorbe de la red eléctrica y la transforma en P y/o Q (suma fasorial o geométrica). Se expresa en Voltamperios(VA).

Angulo ø.- Es el ángulo de desfase entre el fasor tensión y el fasor intensidad; que es también lo mismo entre el favor P y el favor Q, por tanto También aparece en el triángulo de potencias.

EL FACTOR DE POTENCIA

La energía aprovechable por los aparatos e instalaciones eléctricas se obtiene a partir de la potencia activa (P). Por otro lado las bobinas hacen circular corrientes y potencias reactivas inductivas en la red (QL) que en su conjunto disminuyen la potencia disponible del sistema (S).La mayoría de las cargas conectadas a una red consumen además de potencia activa (P),potencia reactiva (QL).- Los campos magnéticos en los motores, reactancias, tubos fluorescentes, transformadores, etc. son mantenidos por corriente reactiva inductiva. En general todos los circuitos con cargas inductivas, necesitan cierta potencia reactiva para funcionar, sin embargo la potencia activa (P) es la que realiza el trabajo útil. Por tanto la potencia total absorbida por la carga de la red (S) es la suma fasorial de P y Q.

El factor de potencia es pues un número entre 0 y 1 (valor bueno 0,9) que indica quecantidad de la potencia aparente se transforma en potencia activa, dicho de otra forma, es un indicador de que tan efectiva o eficiente es la instalación eléctrica y su funcionamiento.Entonces en un circuito de corriente alterna con cargas inductivas interesa que el valor de P esté lo más cerca posible al valor de S, es decir que el cos ø se aproxime al valor de 1 para aprovechar mejor la potencia disponible S de la red eléctrica.La compensación de potencias reactivo-inductivas se realiza mediante la conexión en

paralelo de condensadores que proporcionan potencias reactivo-capacitivas corrigiendo así el cos ø.- Dichos capacitares para compensación llevan resistores en paralelo para la descarga del condensador después de desconectar la tensión aplicada.

Ejemplo:

Antes de mejorar el factor de potencia, el motor consume una potencia activa P, a una corriente I1, además consume una potencia reactiva QL.

Después de la compensación, el motor sigue consumiendo la misma potencia activa P, pero a una corriente menor (I2 menor que I1) porque la potencia reactiva inductiva que necesita la suministra el condensador mediante su potencia reactiva capacitiva. Entonces S2 es más pequeño.

Por lo expuesto si Q inductiva es grande (significa cosø bajo) conviene técnica y económicamente efectuar la compensación, es decir, corregir el factor de potencia a un valor aceptable (superior a 0,8) y un valor bueno es 0,9. Al realizar la compensación debe tenerse cuidado de no obtener un circuito predominantemente capacitivo porque estaría inyectándose potencia reactivo-capacitivo a la red.

VENTAJAS TÉCNICO – ECONÓMICAS AL CORREGIR EL COS Ø

- Reducción de la corriente total del sistema, por lo tanto reducción del costo por consumo de energía eléctrica.- Reducción de la caída de tensión en los cables alimentadores y por lo tanto aumento de la eficiencia de la carga.- Reducción del efecto Joule (calor), por lo tanto mejoramiento de la vida útil de las instalaciones eléctricas.- En proyecto de instalaciones nuevas significa reducción de la capacidad de los cables, interruptores, fusibles, etc. Por lo tanto reducción del costo de las instalaciones eléctricas.- A partir de un f.d.p. de 0,8 el consumidor industrial deja de pagar por consumo de energía reactiva.

DETERMINACION DE LA POTENCIA Y CAPACIDAD DE CONDENSADORES

Constituye el modo más simple de corregir el cos fi, su desventaja está en que nopermiten el ajuste sencillo, para esto se tiene que cambiar el número de unidades decondensadores que se conectan.

Donde:

QL es la demanda de reactivos inductivosφ1 es el ángulo de desfase antes de la compensación.S1 es la potencia aparente antes de la compensación.QC es la potencia reactiva del capacitor de compensación.Q es la potencia reactiva inductiva resultante de la compensación.φ2 es el ángulo de desfase después de la compensación.S2 es la potencia aparente después de la compensación.

La compensación de reactivos no afecta el consumo de potencia activa, por lo que Pes constante.

Del triángulo de potencias:

Para determinar la capacidad del condensador:

Un método práctico consiste en sustituir el término (Tg φ1 – Tg φ2) por una constante “K” la cual se presenta en tablas para diferentes valores de factor de potencia.

Entonces, QC = P x K

Ejemplo:

Determinar la potencia reactiva necesaria para elevar el factor de potencia actual de 0.69 a 0.93 si la potencia promedio es de 16,5 KW.

Solucion:

Localice el factor de potencia inicial 0.69Localice el factor de potencia deseado 0.93Localice el valor K donde confluyen el factor de potencia inicial y deseadoK = 0.654Determine la potencia reactiva en Kva.

Qc = 16,5 x 0,654 = 10,79 Kvar

CONSIDERACIONES RESPECTO A LOS MOTORES ELÉCTRICOS

Los datos de la placa de características del motor eléctrico (tensión, frecuencia, potencia, amperaje, etc.) son los valores nominales, es decir son los valores bajo los cuales la máquina ha sido diseñada para desarrollar su mejor eficiencia.

El dato de potencia que indica la placa de características del motor se refiere a lapotencia mecánica de salida en el eje del motor y se expresa en Kw, HP o C.V.

Equivalencias: 1 HP = 0,746 Kw y 1 C.V. = 0,736 Kw.

La potencia de entrada en un motor eléctrico es la potencia eléctrica y es expresada en Kw utilizando los datos de tensión, corriente y factor de potencia que indica la placa de características.

Es decir:

El rendimiento se define como:

CONEXION DEL CIRCUITO DE POTENCIA PARA CORRECION DEL FACTOR DE POTENCIA

CIRCUITO EXPERIMENTAL DE POTENCIA

EL ARRANCADOR ELECTRÓNICO

DEFINICION.-

El arrancador electrónico de estado sólido, llamado también contactor de estado sólido, limita la corriente y el par de arranque, por tanto el esfuerzo mecánico así como la caída en el voltaje de línea son reducidos. El voltaje en el motor es reducido usando control de fase y se incrementa suavemente hasta el voltaje de línea en un tiempo seleccionable. El arranque y frenado suaves garantizan el mínimo esfuerzo en los dispositivos conectados y aseguran operaciones.El tiempo y voltaje de arranque así como el tiempo de frenado pueden ajustarse fácilmente mediante potenciómetros.Los arrancadores de estado sólido son utilizados cuando se requiere un arranque suave y lento. En lugar de operarlos directamente a plena tensión, se arrancan con aumentos graduales de voltaje, de esta forma se evitan disturbios de la red eléctrica y picos de corriente así como esfuerzos mecánicos que causan desgaste en el motor y la máquina que se acciona.Otra ventaja importante sobre los contactores electromecánicos convencionales es la vida útil de millones de operaciones (de 7 a 10 veces más que un mecánico), y la alta velocidad de maniobra sin ruido, careciendo de un desgaste mecánico, y con una baja potencia necesaria para su disparo, hacen del arrancador electrónico una perfecta opción donde el control con una alta precisión es necesario.

ARRANCADOR DE ESTADO SOLIDO

Características generales

Arranque y parada suave. Los picos de corriente son reducidos. Las fluctuaciones en el voltaje de línea durante el arranque son evitados. La línea de alimentación es aliviada. Es reducido el esfuerzo mecánico en el accionamiento. Significativo ahorro de cableado y espacio comparado con arrancadores

Convencionales. Conmutación libre de mantenimiento (estado sólido) Manipulación sencilla.

Aplicaciones:

Construcción/máquinas de material de construcción Prensas Escaleras eléctricas Sistemas de transporte Ventiladores y sopladores Sistemas de control de clima Cintas transportadoras Accionamientos Sistemas de bombeo (incluso en la industria del aceite) Compresores Sistemas de enfriamiento Sistemas de refrigeración industrial Hidráulica Máquinas y herramientas Molinos

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

La tensión del motor se controla por medio de un principio de corte de fases. Dos tiristores en cada fase realizan la conmutación de la alimentación, lo que permite que el arrancador pueda manejar elevados pares de arranque y frecuentes operaciones de arranque /parada. Unos transformadores de corriente miden la corriente absorbida por el motor y proporcionan información para controlar la corriente de arranque del motor en un valor constante, así como para numerosas funciones de protección de los motores y sus aplicaciones

Un arrancador de Estado Sólido es ajustado programando principalmente tres parámetros, los cuales determinan el perfil de arranque. Estos parámetros son: Corriente inicial, corriente máxima y tiempo de rampa. La corriente que se suministra al motor es controlada suavemente desde la corriente inicial programada ( 100% por ej.) hasta la máxima corriente programada (300% por ej.), el incremento en corriente es llamado la rampa. La rampa es lineal y la inclinación de la rampa es determinado por el monto de tiempo que es programado (0-120 segundos), la rampa lineal elimina las inesperadas transitorios de torque como los producido por los arranques tipo electromecánicos.

El control de voltaje se lleva a cavo en la compuerta del tiristor disparando “n” diferentes tiempos del ciclo de la onda senoidal. Con el disparo de la compuerta se producen salidas de voltaje pequeñas durante el ciclo y disparando así sucesivamente se incrementa la salida de voltaje

ARRANCADOR SIRIUS 3RW30

Arrancador suave para aplicaciones estándar en redes monofásicas y trifásicas. Gracias a su función de rampa de tensión se reduce la intensidad de conexión y disminuye de forma efectiva el par del motor en el momento de arranque, lo que protege la carga y la red de alimentación.Gracias a su control de 2 fases, la corriente se mantiene a un valor mínimo en las tres durante todo el tiempo de arranque. Debido a su influencia en el voltaje se evitan los picos de corriente y par, que por ejemplo en el caso de los arrancadores Estrella-Delta son inevitables. Es de tamaño compacto y sus tres funciones son fáciles de parametrizar (Inicio de rampa de voltaje, tiempo de rampa y tiempo de frenado suave).

CARACTERISTICAS:

Arranque suave con rampa de tensión; el rango de ajuste de la tensión inicial Us puede ajustarse desde el 40 % hasta el 100 % y el tiempo de rampa tR desde 0 s a 20 s.

Parada suave con rampa de tensión; el tiempo de la rampa taus se puede variar de 0 s a 20 s. La tensión de desconexión Uaus depende de la tensión inicial Us seleccionada.

Los ajustes se realizan con tres potenciómetros. Montaje y puesta en marcha sencillos. Tensiones de red desde 50/60Hz 200 V a 575 V Dos ejecuciones de tensión de mando 24 VDC y 110 V a 230 VAC Amplio rango de temperatura -25 °C a + 60 °C Contacto de puenteo integrado para minimizar las pérdidas de potencia. Dos contactos auxiliares integrados en los tamaños S0, S2 y S3 garantizan un mando

confortable y un posible postprocesamiento en la instalación.

Los aparatos ofrecen las siguientes posibilidades de ajuste:

LABORATORIO Nº1

UN SENTIDO DE MARCHA, PARADA CONTROLADA

LABORATORIO Nº2

UN SENTIDO DE MARCHA, PARADA LIBRE

LABORATORIO Nº3

UN SENTIDO DE MARCHA, PARADA LIBRE O CONTROLADA

LABORATORIO Nº4

INVERSION DE GIRO Y PARADA LIBRE

EL VARIADOR DE VELOCIDAD

También llamado variador de frecuencia, regulador electrónico de velocidad o,

Convertidor de frecuencia, es un equipo electrónico que regula la frecuencia del voltaje aplicado al motor de inducción de corriente alterna, logrando modificar su velocidad. Sin embargo, simultáneamente con el cambio de frecuencia, debe variarse el voltaje aplicado al motor para evitar una elevación de la corriente que dañaría el motor.

Alimenta el motor con tensión alterna de frecuencia variable a partir de una red alterna monofásica o trifásica de frecuencia fija.

FUNDAMENTO TECNOLOGICO

Un regulador electrónico de velocidad está formado por circuitos que incorporantransistores de potencia como el IGBT (Transistor Bipolar de Puerta Aislada) o tiristores, siendo el principio básico de funcionamiento transformar la energía eléctrica de frecuencia industrial en energía eléctrica de frecuencia variable. Sin embargo la forma de onda de voltaje de salida en estricto rigor no es una sinusoide perfecta, toda vez que entregan una señal de pulso modulada a partir de una frecuencia de conmutación alta del orden de los 50 KHz. Por tanto presenta un contenido de armónico.

Etapas de control

El ajuste de la anchura de los impulsos y de su repetición permite regular la tensión y lafrecuencia de alimentación al motor. El control de la modulación de ancho de impulso se lleva a cabo mediante microprocesadores.Los equipos que se fabrican en la actualidad aprovechan de incorporar varias funcionesadicionales, como las protecciones al motor y funciones de control para distintas aplicaciones, como controles PID y controles lógicos y secuenciales. Para permitir estas funciones encontraremos en los CDFs terminales de control para conectar entradas y salidas digitales y analógicas, puertas de comunicación de datos y una gran cantidad de parámetros de configuración.