INSTITUTO TECNOLÓGICO DE VERACRUZ

INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES

UNIDAD I

PLANEACIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS INDUSTRIALES

DR. MIGUEL ANGEL QUIROZ GARCIAMAESTRO TITULAR DE LA MATERIA

1.1 Clasificación de tensiones industriales: de servicio, de distribución y de utilización en motores y cargas industriales generales.

Tensiones industriales

La Red de Distribución de la Energía Eléctrica o Sistema de Distribución de Energía Eléctricas es la parte del sistema de suministro eléctrico cuya función es el suministro de energía desde la subestación de distribución hasta los usuarios finales (medidor del cliente). Se lleva a cabo por los Operadores del Sistema de Distribución.

Los elementos que conforman la red o sistema de distribución son los siguientes:

Subestación de Distribución: conjunto de elementos (transformadores, interruptores, seccionadores, etc.) cuya función es reducir los niveles de alta tensión de las líneas de transmisión (o sub-transmisión) hasta niveles de media tensión para su ramificación en múltiples salidas.

Circuito primario.

La segunda etapa la constituye la red de distribución propiamente dicha, con tensiones de funcionamiento de 3 a 30 Kv. y con una característica muy radial. Esta red cubre la superficie de los grandes centros de consumo (población, gran industria, etc.), uniendo las estaciones transformadoras de distribución con los centros de transformación, que son la última etapa del suministro en media tensión, ya que las tensiones a la salida de estos centros es de baja tensión (125/220 ó 220/380 V ).

La líneas que forman la red de distribución se operan de forma radial, sin que formen mallas, al contrario que las redes de transporte y de reparto. Cuando existe una avería, un dispositivo de protección situado al principio de cada red lo detecta y abre el interruptor que alimenta esta red.

La localización de averías se hace por el método de "prueba y error", dividiendo la red que tiene la avería en dos mitades y energizando una de ellas; a medida que se acota la zona con avería, se devuelve el suministro al resto de la red. Esto ocasiona que en el transcurso de localización se pueden producir varias interrupciones a un mismo usuario de la red

Motores de inducción de jaula de ardilla clase A

El motor clase A es un motor de jaula de ardilla normal o estándar fabricado para uso a velocidad constante. Tiene grandes áreas de ranuras para una muy buena disipación de calor, y barras con ranuras ondas en el motor

Durante el periodo de arranque, la densidad de corriente es

alta cerca de la superficie del rotor; durante el periodo de la marcha, la densidad se distribuye con uniformidad.

Motores de inducción de jaula de ardilla clase B

A los motores de clase B a veces se les llama motores de propósito general; es muy parecido al de la clase A debido al comportamiento de su deslizamiento-par. Las ranuras de su motor están embebidas algo más profundamente que el los motores de clase A y esta mayor profundidad tiende a aumentar la reactancia de arranque y la marcha del rotor

Este aumento reduce un poco el par y la corriente de arranque. Las corrientes de arranque varían entre 4 y 5 veces la corriente nominal en los tamaños mayores de 5 HP se sigue usando arranque a voltaje reducido

Motores de inducción de jaula de ardilla clase C

Estos motores tienen un rotor de doble jaula de ardilla, el cual desarrolla un alto par de arranque y una menor corriente de arranque. Debido a su alto par de arranque, acelera rápidamente, sin embargo cuando se emplea en grandes cargas, se limita la disipación térmica del motor por que la mayor parte de la corriente se concentra en el devanado superior. En condiciones de arranque frecuente, el rotor tiene tendencia a sobre calentarse se adecua mejor a grandes cargas repentinas pero de tipo de baja inercia. Las aplicaciones de los motores de clase C se limitan a condiciones en las que es difícil el arranque como en bombas y compresores de pistón

Motores de inducción de jaula de ardilla clase D

Los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla clase D se conocen también como de alto par y alta resistencia. Las barras del rotor se fabrican en aleación de alta resistencia y se colocan en ranuras cercanas a la superficie o están embebidas en ranuras de pequeño diámetro. La relación de resistencia a reactancia del rotor de arranque es mayor que en lo motores de las clases anteriores. El motor está diseñado para servicio pesado de arranque, encuentra su mayor aplicación con cargas como cizallas o troqueles, que necesitan el alto par con aplicación a carga repentina la regulación de velocidad en esta clase de motores es la peor.

Motores de inducción de jaula de ardilla de clase F

También conocidos como motores de doble jaula y bajo par. Están diseñados principalmente como motores de baja corriente, porque necesita la menor corriente de arranque de todas las clases. Tiene una alta resistencia del rotor tanto en su devanado de arranque como en el de marcha y tiende a aumentar la impedancia de arranque y de marcha, y a reducir la corriente de marcha y de arranque.

El rotor de clase F se diseño para remplazar al motor de clase B. El motor de clase F produce pares de arranque aproximadamente 1.25 veces el par nominal y bajas corrientes de arranque de 2 a 4 veces la nominal. Los motores de esta clase se fabrican de la capacidad de 25 hp para servicio directo de la línea. Debido a la resistencia del rotor relativamente alta de arranque y de marcha, estos motores tienen menos regulación de voltaje de los de clase B, bajan capacidad de sobrecarga y en general de baja eficiencia de funcionamiento.

Clasificación de cargas

Los tipos de cargas eléctricas caen dentro de cuatro categorías: resistivas, capacitivas, inductivas o una combinación de las anteriores. Algunas cargas son puramente resistivas, capacitivas o inductivas. La naturaleza imperfecta de cómo son construidos los dispositivos eléctricos o electrónicos causa inductancia, capacitancia y resistencia para ser una parte inherente de muchos dispositivos.

Cargas resistivas

Un resistor es un mecanismo que resiste el flujo de la electricidad. Al hacerlo, parte de la energía eléctrica es disipada como calor. Dos cargas comunes resistivas son los bulbos de luz incandescente y los calentadores eléctricos

La resistencia (R) es medida en ohms. Un bulbo de luz incandescente produce luz, al pasar corriente eléctrica a través de

un filamento en un vacío.

La resistencia del filamento causa que se caliente y la energía eléctrica es convertida en

energía luminosa.

Los calentadores eléctricos trabajan de la misma manera, excepto que ellos producen una poca, si acaso, de luz. La corriente eléctrica y el voltaje en una carga resistiva se

dicen estar "en fase" uno con otro. Como el voltaje se eleva o cae, la corriente también se eleva y cae con éste.

Cargas capacitoras

Un capacitor almacena energía eléctrica. Las dos superficies conductivas están separadas por un aislante no conductivo. Cuando una corriente eléctrica es aplicada a un capacitor, los electrones de la corriente se acumulan en la placa adjuntada a la terminal a la cual es aplicada la corriente eléctrica.

Cuando la corriente es retirada, los

electrones fluirán de regreso a

través del circuito para alcanzar la

otra terminal del capacitor.

Los capacitores son utilizados en motores eléctricos, radio circuitos, fuentes de poder y muchos otros circuitos. La capacidad de un capacitor para almacenar energía eléctrica es llamada capacitancia (C). La unidad principal de medida es el faradio, pero la mayoría de los capacitores están medidos en microfaradios.

Cargas inductivas

Un inductor puede ser cualquier material conductor. Cuando un cambio de corriente pasa a través de un inductor, éste induce un campo magnético alrededor de este mismo. Girando el inductor en una bobina incrementa el campo magnético. Un principio similar ocurre cuando un conductor es colocado en un campo magnético cambiante.

El campo magnético induce

una corriente eléctrica en el

conductor.

Ejemplos de cargas inductivas:

incluyen transformadores, motores eléctricos y bobinas.

1.2 Cargas industriales: clasificación y capacidades de motores y cargas térmicas en alta, media y baja tensión.

Se tiene la impresión de que cuando se habla de motores eléctricos, se esta haciendo referencia a grandes motores empleados principalmente en la industria, entonces, de acuerdo al conocimiento que se tiene de ellos por el tipo de corriente con la que operan, se piensa que la mayoría consume corriente alterna.

Si se consideran múltiples aplicaciones que tienen los motores eléctricos, tanto en el hogar, como en la oficina y en distintas aéreas de la industria, se encontrará que:Los motores de corriente directa seutilizan, con pequeñas potencias,en gran variedad de casos, en el hogar,equipos de oficina y cómputo

Esto hace que el concepto de grandes motores, este cambiando debido al continuo crecimiento en la producción de pequeños motores.

En general, se puede establecer que en nuestra vida diaria usamos motores eléctricos grandes y pequeños; en particular, motores pequeños, los cuales se deben fabricar en gran cantidad.

Los motores están constituidos por dos partes principales:

El estator (parte estacionaria).

El rotor (parte rotatoria).

El diseño y fabricación

de estas componentes depende de la clasificación y esta relacionado con las características del motor. Los motores eléctricos operan bajo el principio de que un conductor colocado dentro de un campo magnético experimenta una fuerza cuando una corriente circula por el mismo

La instalación eléctrica de motores

Las instalaciones industriales son básicamente de dos tipos:

Instalación eléctrica para alumbrado.

Instalación eléctrica para fuerza.

Métodos de arranque de motores de corriente alterna

En las distintas aplicaciones industriales que se tienen para los motores de corriente alterna, pueden aparecer motores trifásicos (del tipo jaula de ardilla o rotor devanado) o bien motores monofásicos dependiendo de esto varía el método de arranque, también existen variantes para cada tipo de alimentación monofásica o trifásica, dependiendo de la potencia del motor por alimentar y de la función específica a desarrollar

motores eléctricos en las instalaciones industriales

A continuación tenemos diferentes tipos de motores:

Motores universales que, como su nombre lo indica, pueden trabajar tanto en circuitos alternos como en corriente continua, teniéndolos en máquinas como taladros, esmeriles, pulidores, esmeriles portátiles y maquinas diversas en que se requieren altas velocidades.

Motores asincrónicos, que son todos los motores de corriente alterna de diferentes velocidades. Motores de anillos rozantes.Motores de velocidades variables.

Motores a prueba de goteo.

Motores blindados.

Motores a prueba de explosión

Motores monofásicos de inducción con o sin capacitor.

Motores monofásicos de inducción-repulsión.

Motores monofásicos de conmutador para maquinas especiales.

Respecto al uso de los motores universales, deberán escogerse con voltajes que no excedan de 125 volts y para seguridad de los operarios, aconsejarles siempre que procuren verificar sus trabajos en lugares secos para evitar que, al surgir un defecto en el motor, reciban un choque eléctrico de consecuencias.

1.3 comportamiento de las cargas. conceptos de demanda, perfiles y factores de demanda, de diversidad y de carga. c

Definición La demanda eléctrica es una medida de la tasa promedio

del consumo eléctrico de sus instalaciones en intervalos de 15 minutos.

En general, mientras más aparatos eléctricos se encuentren funcionando al mismo tiempo, mayor es la demanda.

En la mayoría de los casos, los cargos por demanda se incluyen como un componente de la factura de servicio eléctrico para empresas y para clientes comerciales e industriales.

La Relevancia de la Demanda

Su empresa proveedora de servicios de transmisión y distribución (TDSP) debe preparar su equipo para tener la capacidad de suministrar la cantidad de electricidad máxima que se espera que provea.

Se coordina el tamaño de las líneas eléctricas, de los transformadores, de las subestaciones y de otros equipos para proporcionar la electricidad que usted necesite en un momento determinado, independientemente de que usted necesite esa cantidad durante un periodo único de 15 minutos o durante períodos más extensos de varios meses.

La demanda determina la inversión que la empresa proveedora de servicios de transmisión y distribución debe realizar para suministrar electricidad a diferentes instalaciones de manera efectiva. Tal inversión se recupera asignando cargos por demanda de acuerdo al consumo de cada cliente.

La diferencia entre demanda y consumo

Demanda hace referencia a la cantidad de energía que se necesita en un momento determinado y se mide en kilovatios (Kw).

Consumo es la cantidad de energía que se utiliza durante un período de tiempo determinado y se mide en kilovatio-hora (KWh).

cargos por demanda

La demanda de una empresa puede ser mucho mayor que la demanda de otra y se necesitan líneas eléctricas más extensas, transformadores más grandes, etc. para suministrar la energía que se necesita. Para recuperar el costo de este equipo de mayores dimensiones, las empresas proveedoras de servicios de transmisión y distribución evalúan los cargos por demanda individuales para cada empresa proveedora de servicio eléctrico (REP).

En la mayoría de los casos, las empresas proveedoras de servicio eléctrico transfieren estos cargos a los clientes particulares.

medición de la demanda

La demanda varía de acuerdo al cliente y al mes. Para registrar la demanda, un medidor especial controla el flujo de la electricidad que se suministra a las instalaciones particulares durante un periodo de tiempo determinado, generalmente en intervalos de 15 minutos.

En el transcurso de un mes, el intervalo de 15 minutos con la mayor demanda se registra y se vuelca a la factura mensual.

1.4 Tarifas de suministro para servicios industriales. clasificación, características y aplicaciones.

Tarifas generales: baja tensión

TARIFA 2 Esta tarifa se aplicará a todos los servicios que destinen la energía en baja tensión a cualquier uso, con demanda hasta de 25 kilowatts, excepto a los servicios para los cuales se fija específicamente su tarifa.

TARIFA 3

Esta tarifa se aplicará a todos los servicios que destinen la energía en baja tensión a cualquier uso, con demanda de más de 25 kilowatts, excepto a los servicios para los cuales se fija específicamente su tarifa

Tarifas generales: media tensión TARIFA O-M Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la

energía a cualquier uso, suministrados en media tensión, con una demanda menor a 100 kW

Tarifa H-M Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la

energía a cualquier uso, suministrados en media tensión, con una demanda de 100 kilowatts o más.

TARIFA H-MC Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la

energía a cualquier uso, suministrados en media tensión en la región Baja California, con una demanda de 100 kilowatts o más, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio, el cual tendrá vigencia mínima de un año.

Tarifas generales: alta tensión

TARIFA HS (tarifa horaria para servicio general en alta tensión, nivel sub-transmisión)

Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la energía a cualquier uso, suministrados en alta tensión, nivel sub transmisión, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio, el cual tendrá vigencia mínima de un año.

TARIFA HS-L (tarifa horaria para servicio general en alta tensión, nivel sub transmisión, para larga utilización)

Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la energía a cualquier uso, suministrados en alta tensión, nivel sub transmisión, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio, el cual tendrá vigencia mínima de un año.

TARIFA HT (tarifa horaria para servicio general en alta tensión, nivel transmisión)

Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la energía a cualquier uso, suministrados en alta tensión, nivel transmisión, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio, el cual Tendrá vigencia mínima de un año.

TARIFA HT-L (tarifa horaria para servicio general en alta tensión, nivel transmisión para larga utilización)

Esta tarifa se aplicará a los servicios que destinen la energía a cualquier uso, suministrados en alta tensión, nivel transmisión, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio, el cual tendrá vigencia mínima de un año.

servicio de respaldo

TARIFA HM-R (tarifa horaria para servicio de respaldo para falla y mantenimiento en media tensión)

Esta tarifa se aplicará para el servicio de respaldo para falla y mantenimiento a productores externos, suministrado en media tensión, con una demanda de 500 kilowatts o más, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio.

TARIFA HM-RF (tarifa horaria para servicio de respaldo para falla en media tensión)

Esta tarifa se aplicará para el servicio de respaldo para falla a productores externos, suministrado en media tensión, con una demanda de 500 kilowatts o más, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio.

TARIFA HM-RF (tarifa horaria para servicio de respaldo para falla en media tensión)

Esta tarifa se aplicará para el servicio de respaldo para falla a productores externos, suministrado en media tensión, con una demanda de 500 kilowatts o más, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio.

TARIFA HS-R (tarifa horaria para servicio de respaldo para falla y mantenimiento en alta tensión, nivel sub transmisión)

Esta tarifa se aplicará para el servicio de respaldo para falla y mantenimiento a productores externos, suministrado en alta tensión, nivel sub transmisión, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio.

TARIFA HS-RF (tarifa horaria para servicio de respaldo para falla en alta tensión, nivel sub transmisión)

Esta tarifa se aplicará para el servicio de respaldo para falla a productores externos, suministrado en alta tensión, nivel sub transmisión, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio.

TARIFA HS-RM (tarifa horaria para servicio de respaldo para mantenimiento programado en alta tensión, nivel sub transmisión).

Esta tarifa se aplicará para el servicio de respaldo para mantenimiento programado, dentro del periodo establecido en este Acuerdo, a productores externos, suministrado en alta tensión, nivel sub transmisión, y que por las características de utilización de su demanda soliciten inscribirse en este servicio.

Servicio interrumpible

TARIFA I-15

Esta tarifa será aplicable a los usuarios de las tarifas H-S, H-T, H-SL y H-TL que soliciten inscribirse adicionalmente en este servicio y que tengan una demanda máxima medida en período de punta, semi-punta, intermedio o base, mayor o igual a 10,000 (diez mil) kilowatts durante los tres meses previos a la solicitud de inscripción. La inscripción a este servicio tendrá vigencia mínima de un año.

TARIFA I-30

Esta tarifa será aplicable a los usuarios de las tarifas H-S, H-T, H-SL y H-TL que soliciten inscribirse adicionalmente en este servicio y que tengan una demanda máxima medida en período de punta, semipunta, intermedio o base, mayor o igual a 20,000 (veinte mil) kilowatts durante los tres meses previos a la solicitud de inscripción. La inscripción a este servicio tendrá vigencia mínima de un año.

1.5 Sistemas de medición para servicio industrial. características y arreglos de instalación de transformadores de corriente y potencial en media y baja tensión

Introducción

La medición de datos es utilizada, por ejemplo, para tomar la decisión a ajustar o no un proceso de manufactura. La medición de datos, o alguna estadística derivada de ellos, se compara con los límites de control estadísticos del proceso, y si la comparación indica que el proceso está fuera de control, entonces se realiza algún tipo de ajuste

Transformador de corriente

Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de medida y control. Ciertos tipos de transformadores de corriente protegen a los instrumentos al ocurrir cortocircuitos.

Los valores de los transformadores de corriente son:

Carga nominal:

2.5 a 200 VA, dependiendo su función.

Corriente nominal:

5 y 1A en su lado secundario. Se definen como

relaciones de corriente primaria a corriente secundaria. Unas relaciones típicas de un transformador de corriente podrían ser: 600/5, 800/5, 1000/5.

Transformador de distribución Se denomina transformadores de distribución, generalmente

los transformadores de potencias iguales o inferiores a 500 kVA y de tensiones iguales o inferiores a 67 000 V, tanto monofásicos como trifásicos. Aunque la mayoría de tales unidades están proyectadas para montaje sobre postes, algunos de los tamaños de potencia superiores, por encima de las clases de 18 kV, se construyen para montaje en estaciones o en plataformas.

Las aplicaciones típicas son:para alimentar a granjas, residencias, edificios o almacenes

públicos, talleres y centros comerciales.

Descripción:

Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica.

1.6 Redes de distribución industriales de media y baja tensión. radiales, primarios y secundarios selectivos, primarios con alimentador único, con alimentadores múltiples y anillos primarios.

Es un escalón del sistema de suministro eléctrico que es

responsabilidad de las compañías distribuidoras de electricidad. La distribución de la energía eléctrica desde las subestaciones de transformación de la red de transporte se realiza en dos etapas

La primera está constituida por la red de reparto que, partiendo de las subestaciones de transformación, reparte la energía, normalmente mediante anillos que rodean los grandes centros de consumo, hasta llegar a las estaciones transformadoras de distribución. Las tensiones utilizadas están comprendidas entre 25 y 132 kV.

Intercaladas en estos anillos están las estaciones transformadoras de distribución, encargadas de reducir la tensión desde el nivel de reparto al de distribución en media tensión.

La segunda etapa la constituye la red de distribución propiamente dicha, con tensiones de funcionamiento de 3 a 30 kV y con una característica muy mallada. Esta red cubre la superficie de los grandes centros de consumo (población, gran industria, etc.) uniendo las estaciones transformadoras de distribución con los centros de transformación, que son la última etapa del suministro en media tensión, ya que las tensiones a la salida de estos centros es de baja tensión (125/220 ó 220/380 V).

1.7 Alimentadores primarios aéreos y de cable de energía. criterios de selección de canalizaciones, ruteos y calculo de conductores.

calculo de conductores Es fundamental la elección del conductor eléctrico

adecuado, que depende: • Tipo de conductor según condiciones ambientales. • Sección adecuada según intensidad a transportar Para las distintas condiciones de servicio y clases de

instalación, existe variedad en cuando a tipo de conductores a utilizar e intensidad máxima a transportar para una sección determinada.

Un cálculo aproximado de la sección de los conductores, caídas de tensión y pérdidas de potencia se efectúa utilizando las siguientes relaciones:

1.8 Centros de fuerza, concepto general, características, capacidades, tamaño económico y criterios de selección

Concepto general Un centro de carga es un tablero metálico que contiene

una cantidad determinada de interruptores termomagnéticos , generalmente empleados para la protección y desconexión de pequeñas cargas eléctricas y alumbrado. En el caso de que en el tablero se concentre exclusivamente interruptores para alumbrado, se conoce como "tablero de alumbrado"; si concentra otros tipos de cargas, se conoce como "tablero de fuerza"; en caso de que contenga interruptores tanto para fuerza como alumbrado se conocerá como "tablero de fuerza y alumbrado" o "tablero mixto".

Los centros de carga pueden ser monofásicos o trifásicos , razón por la cual pueden soportar interruptores termomagnéticos mono polares, bipolares o tri-polares. De acuerdo con el número de circuitos, pueden contener 1, 2, 4, 6, 8, 12, 20, 30, 40, 42 y hasta 80 unidades.

Características

Corriente nominal de 100 a 225 Amperes Voltaje hasta 250 Volts Para montaje en pared, tipo empotrar o sobreponer Acometida a zapatas o a interruptor principal Utiliza interruptores enchufables de 1, 2 o 3 polos (10-70 A) Para sistemas trifásicos a 4 hilosBarra de neutro incluida.Gabinete Nema 1, de 20 pulgadas de ancho

Capacidades

La capacidad de los interruptores de los centros de carga va de 10 a 200 amperes en las siguientes capacidades: 10 , 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 125, 150,175 y 200 amperes. Los centros de carga pueden tener desde 1 hasta 42 interruptores sencillos (1 polo (también los hay de 2 y de 3polos)).

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criterios de selección