Estudio de los niveles de temperatura del grupo motor alternador de

Universidad Simón Bolívar
Coordinación de Ingeniería Eléctrica
ESTUDIO DE LOS NIVELES DE TEMPERATURA DEL GRUPO MOTOR
ALTERNADOR DE SEGUNDA GENERACIÓN TECNOLÓGICA
Por:
Br. Luis Carrera
TUTOR ACADÉMICO: PROF. JOSÉ M. ALLER
TUTOR INDUSTRIAL: ING. RAÚL BARRETO
INFORME FINAL DE PASANTÍA
PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
SARTENEJAS, FEBRERO DE 2.007
2
Universidad Simón Bolívar
Coordinación de Ingeniería Eléctrica
ESTUDIO DE LOS NIVELES DE TEMPERATURA DEL GRUPO MOTOR
ALTERNADOR DE SEGUNDA GENERACIÓN TECNOLÓGICA
Por:
Br. Luis Carrera
INFORME FINAL DE PASANTÍA
PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
SARTENEJAS, FEBRERO DE 2.007
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ESTUDIO DE LOS NIVELES DE TEMPERATURA DEL GRUPO MOTOR
ALTERNADOR DE SEGUNDA GENERACIÓN TECNOLÓGICA
POR
LUIS A. CARRERA DÍAZ
RESUMEN
Las máquinas eléctricas son equipos eficientes, confiables y pueden tolerar sobrecarga.
Sin embargo, estas máquinas tienen restricciones operacionales determinadas principalmente por
la temperatura, que establece el régimen de funcionamiento del equipo y también puede ser la
causante de su deterioro. El presente trabajo tiene por objeto estudiar los niveles de temperatura
alcanzados por el grupo motor alternador (GMA) de los trenes de segunda generación tecnológica
del sistema Metro de Caracas, con el fin de detectar la existencia de posibles sobre temperatura
en estos equipos, las causas que lo originan y proponer soluciones técnicas que permitan resolver
el problema en cuestión.
Este trabajo se fundamenta en datos recabados en sitio, a través de la medición de
temperaturas en puntos específicos del equipo en estudio y en pruebas realizadas en un banco de
prueba, simulando condiciones de operación desfavorable similares a las encontradas durante la
operación comercial de los trenes.
Este estudio evidenció que existen dos factores principales causantes del incremento de
las temperaturas del GMA. El primero, la deficiencia en el diseño de la máquina, dada la
presencia de fuentes térmicas ubicadas dentro de ella, las cuales son distintas a las que
naturalmente se encuentran en cualquier máquina eléctrica similar, siendo estas fuentes térmicas
un conjunto de resistencias que disipan energía en forma de calor. El segundo, la obstrucción del
filtro de aire del sistema de ventilación de la máquina, lo cual significa una condición de
operación técnicamente inadecuada y que limitan su buen funcionamiento.
Se plantearon un conjunto de recomendaciones técnicas que pueden ser aplicadas de
manera progresiva por parte de la empresa y que buscan ser un paquete de soluciones puntuales,
para una solución integral al problema.
4
DEDICATORIA
A mis padres, hermanos, novia, amigos y a Dios.
5
AGRADECIMIENTO
A Dios por permitirme estar en el momento y en el lugar adecuado.
A mi madre por su apoyo incondicional y confianza en mí…De verdad gracias.
A mis hermanos por estar siempre conmigo.
A mi novia Angélica por estar ahí, por su confianza y motivación diaria.
A mi tutores, Porf. José M. Aller e Ing. Raúl Barreto, por materializar con sus conocimientos y
confianza esta meta planteada, y por guiar esta investigación.
A mis compañeros inseparables de la universidad, Ricardo Guerra y Freddy Alcázar, por el apoyo
que mostraron siempre y por su amistad. Siempre amigos.
A los Ingenieros, técnicos y demás personal que conforman la unidad de Ingeniería y Estadística
de la empresa C.A. Metro de Caracas, por toda la colaboración prestada, en relación a la obtención de la
información y demás asistencias.
Y en general a todas las personas que intervinieron, colaboraron y estuvieron pendientes del
desarrollo de mi trabajo, de verdad, ¡muchas gracias!
6
ÍNDICE GENERAL
INDICE GENERAL______________________________________________________________ _vii
INDICE DE TABLAS Y FIGURAS__________________________________________________viii
LISTA DE SIMBOLOS Y ABREVIATURAS___________________________________________ix
LISTA DE SIMBOLOS Y ABREVIATURAS___________________________________________ x
Capitulo 1: INTRODUCCIÓN________________________________________________________ 1
ANTECEDENTES __________________________________________________________________ 3
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA_________________________________________________ 4
Capitulo 2: DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA_________________________________________ 5
RESEÑA HISTORICA_______________________________________________________________ 5
DEFINICIÓN DE LA EMPRESA_______________________________________________________7
MISIÓN___________________________________________________________________________ 8
VISIÓN___________________________________________________________________________ 8
VALORES________________________________________________________________________ 9
GENTE___________________________________________________________________________ 9
Capitulo 3: MARCO TEÓRICO_____________________________________________________ 11
Perdidas en las máquinas eléctricas____________________________________________________ 10
Perdidas mecánicas________________________________________________________________10
Perdidas magnéticas_______________________________________________________________ 11
Perdidas eléctricas________________________________________________________________ 11
Rendimiento______________________________________________________________________ 11
Calentamiento____________________________________________________________________ 11
Teoría de transferencia de calor________________________________________________________14
Convección______________________________________________________________________ 14
Radiación_______________________________________________________________________ 15
Conducción______________________________________________________________________ 17
Capitulo 4: DESCRIPCIÓN DE GRUPO MOTOR ALTERNADOR (GMA)________________ 20
El motor dc_______________________________________________________________________ 20
El alternador______________________________________________________________________ 20
La excitatriz_______________________________________________________________________20
La estatodina______________________________________________________________________ 20
Capitulo 5: MEDICIONES__________________________________________________________25
Capitulo 6: RESULTADOS_________________________________________________________ 34
Capitulo 7: ANÁLISIS DE RESULTADOS____________________________________________ 57
Capitulo 8: PROPUESTAS__________________________________________________________75
Capitulo 9: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES _______________________________ 82
BIBLIOGRAFÍA__________________________________________________________________ 85
7
ANEXOS_________________________________________________________________________86
8
ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS
TABLAS
Clasificación de materiales aislantes según norma IEC 34.1 y materiales de los que normalmente se
compone.___________________________________________________________________________14
Motor de Corriente Continua._________________________________________________________ 22
El Alternador.______________________________________________________________________ 23
La Excitatriz._______________________________________________________________________ 23
La Estatodina.______________________________________________________________________ 24
Medición de las temperaturas asociadas a los
GMA de 2da Generación(Línea:2o3).____________________________________________________28
Temperaturas, Voltaje y Corriente de Entrada de los
GMA de 2da generación de Línea 2.____________________________________________________ 35
Temperaturas, Voltaje y Corriente de Entrada de los
GMA de 2da generación de Línea3.______________________________________________________36
Imágenes térmicas del GMA Nº 064 en la fosa de Línea 3.__________________________________ 37
Imágenes térmicas del GMA 44 en el banco
de prueba con 0% de obstrucción de la entrada de aire.____________________________________40
Imágenes térmicas del GMA Nº 44 en el banco
de prueba con 75% de obstrucción de la entrada de aire.___________________________________42
Imágenes térmicas del GMA Nº 34 en el banco
de prueba con 0% de obstrucción de la entrada de aire.____________________________________46
Imágenes térmicas del GMA Nº 34 en el banco
de prueba con 75% de obstrucción de la entrada de aire.___________________________________48
TEMPERATURAS Y VELOCIDADES DE LOS FLUJOS
DE AIRE CON 0% DE OBSTRUCCIÓN._______________________________________________51
TEMPERATURAS Y VELOCIDADES DE LOS FLUJOS
DE AIRE CON 0% DE OBSTRUCCIÓN._______________________________________________52
TEMPERATURAS Y VELOCIDADES DE LOS FLUJOS
DE AIRE CON 25% DE OBSTRUCCIÒN.______________________________________________53
TEMPERATURAS Y VELOCIDADES DE LOS FLUJOS
DE AIRE CON 50% DE OBSTRUCCIÓN.______________________________________________54
TEMPERATURAS Y VELOCIDADES DE LOS FLUJOS
DE AIRE CON 75% DE OBSTRUCCIÓN._____________________________________________ 55
TEMPERATURAS Y VELOCIDADES DE LOS FLUJOS
DE AIRE CON ~100% DE OBSTRUCCIÓN.____________________________________________56
Kilometraje acumulado de los GMA medidos en sitio._____________________________________71
FIGURAS
Mapa Térmico del GMA._____________________________________________________________26
Convertidor DC-DC._________________________________________________________________78
Esquemático del circuito de control original._____________________________________________79
Esquemático del circuito de control con el Chopper.______________________________________ 80
9
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
∆t :
Intervalo de tiempo
A:
Área transversal.
C:
Coeficiente térmico del cuerpo.
c:
Calor específico.
CEI:
Comisión Electrotécnica Internacional.
CEI:
Comisión Electrotécnica Internacional.
GMA:
Grupo Motor Alternador
Ient.
Corriente de entrada al GMA.
K:
Conductividad térmica.
m:
Masa del cuerpo.
MF:
Fusible de activación ultra rápida de 315Amp.
ºC:
Grados centigrados.
Pentrada: Potencia de entrada al sistema.
Ppérdidas: Suma de todas las perdidas individuales independientes del tiempo.
Psalida:
Potencia de entrada al sistema.
q:
Calor cedido por convección.
qrad:
Calor irradiado por unidad de superficie del cuerpo.
R1:
Radio interno de una capa cilíndrica.
R2:
Radio externo de una capa cilíndrica.
REX:
Resistencia reguladora del campo del motor.
S:
Superficie a través de la cual se cede calor.
Sa:
Superficie activa del cuerpo.
T(x):
Temperatura local.
T∞:
Temperatura del medio ambiente refrigerante.
Tamb:
Temperatura ambiente.
Tlim fianl: Temperatura limite final.
Tlim inicial: Temperatura limite inicial.
Tpcal:
Temperatura de precalentamiento.
Tw:
Temperatura de la superficie.
10
WEX:
Puente de diodos regulador del campo del motor.
x:
Distancia en la dirección de flujo de calor.
α:
Coeficiente térmico del medio refrigerante.
α:
Coeficiente de transferencia de calor.
αrad:
Coeficiente de radiación.
ε:
Emisividad del cuerpo.
η:
Eficiencia.
θ:
Diferencia de temperatura entre una superficie y un fluido.
θ0:
Temperatura del ambiente.
θ1:
Temperatura de un cuerpo respecto al ambiente.
λcon:
Coeficiente de transmisión de calor por convección.
π:
Pi.
ρ:
Densidad del sólido.
σ:
Constante de Stefan – Boltzman.
11
Capítulo 1: INTRODUCCIÓN
La temperatura es un elemento importante a considerar en el funcionamiento de una
máquina eléctrica, ya que ésta podría considerarse como el principal factor que determina la vida
útil del aislamiento de sus devanados y por ende de la máquina en sí.
El seguimiento de la evolución de las temperaturas alcanzadas por una máquina eléctrica
durante el tiempo de prestación de servicio es de vital importancia para garantizar que su régimen
de funcionamiento se encuentre dentro de los márgenes de operación de diseño recomendados
por el fabricante. Esta evaluación conlleva a la detección oportuna de fallas o anomalías en su
funcionamiento, que pueden ser originadas por el desgaste de elementos internos debido al
envejecimiento o deterioro, a deficiencias en su diseño o por que ésta es sometida a condiciones
de trabajo inadecuadas; logrando por esta vía minimizar el impacto negativo que estos factores
pueden tener sobre la vida útil de la máquina. También, este tipo de estudio permite mejorar o
ajustar los procedimientos de mantenimiento existentes, lo que se traduce en una reducción de los
costos derivados tanto de la pérdida de equipos antes de lo programado o por la adquisición de
nuevas unidades.
Las consecuencias derivadas de la sobre temperatura de una máquina eléctrica son: el
desgaste acelerado de piezas móviles debido a la pérdida de propiedades de la grasa lubricante, el
deterioro anticipado de los materiales aislantes de lo devanados de la máquina, el daño de
dispositivos de estado sólido presentes en la máquina y deformaciones mecánicas de piezas como
el eje, la carcasa, el colector, entre otras.
El objetivo general de este trabajo es estudiar los niveles de temperatura alcanzados por el
grupo motor alternador (GMA) de los trenes de segunda generación tecnológica de la C.A. Metro
de Caracas, con el fin de determinar las causas que originan posibles sobre temperaturas en el
12
GMA, sus consecuencias sobre la máquina y finalmente plantear soluciones técnicamente viables
para evitar el sobre calentamiento de este grupo motor alternador.
13
ANTECEDENTES
El grupo motor alternador (GMA) de segunda generación tecnológica empleado en la
C.A. Metro de Caracas, es una tecnología que data del año de 1.930 y que ha sido utilizada en
algunos sistemas de transporte metropolitano de otras ciudades del mundo. Esta tecnología es
adquirida por la empresa en el año de 1.990 con la adquisición de la nueva flotilla de trenes para
los nuevos tramos comerciales de Línea 2 y Línea 3.
En la actualidad el universo de máquinas disponibles está compuesto por 82 unidades,
siendo este grupo de mayor complejidad en cuanto al funcionamiento y mantenimiento, en
comparación con su predecesor.
La necesidad de realizar este estudio surge de una investigación previa en el área de
Ingeniería Industrial, cuyo objetivo principal consistía en optimizar el esquema de mantenimiento
del taller de motores eléctricos de la C.A. Metro de Caracas, que entre sus actividades principales
está la de dar mantenimiento a los GMA de primera y segunda generación tecnológica.
Durante dicha investigación se llevó a cabo una medición de temperatura de un GMA de
segunda generación, el cual se encontraba instalado en un tren de la Línea 3, cuyo resultado
evidenció que en algunos puntos del equipo, la temperatura estaba por encima de lo esperado de
acuerdo con las especificaciones técnicas dadas por el fabricante.
14
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El grupo motor alternador (GMA) de los trenes de segunda generación de la C.A.
Metro de Caracas, a partir del año 1.993 presentó una serie de fallas cuyo origen se
desconocía para el momento. Con el paso del tiempo, estas fallas se hicieron cada vez
más frecuentes y la capacidad de respuesta de la empresa estuvo limitada; no sólo por no
disponer de la información precisa para determinar el origen de las fallas sino también por
no disponer de la información técnica para su debido mantenimiento y garantizar el
óptimo funcionamiento de las mismas.
En el presente, la empresa ha determinado que parte del conjunto de fallas
existentes en la máquina guardan relación con el sobre calentamiento de ciertos
componentes que se encuentran dentro de ella.
La Gerencia de Material Rodante, a cargo de este estudio, desea determinar el
grado afectación que pudieran tener las fuentes de calor que se encuentran dentro del
equipo, sobre los demás componentes del convertidor, con el fin de cuantificar el daño
que estas pudieran causar al mismo.
Este trabajo de investigación busca determinar como los niveles de temperatura
alcanzados por el grupo motor alternador (GMA), afectan los componentes internos de la
máquina, en función de sus temperaturas máximas de trabajo, y con ello, poder establecer
las causas que originan el sobre calentamiento del equipo y proponer soluciones
técnicamente viables.
15
Capítulo 2: DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA
RESEÑA HISTORICA DE LA EMPRESA
La idea de emplear un sistema de transporte masivo para la ciudad de Caracas se inicia a
finales de 1.964, que es cuando comienza a instalarse la Oficina Ministerial del Transporte, bajo
la dirección del Ingeniero Antonio Boccalandro, quedando adscrita directamente al despacho del
Ministro de Obras Públicas. Esta oficina tenía tres objetivos fundamentales: primero, el
desarrollo de un plan integral de transporte para el Área Metropolitana de Caracas, segundo, el
estudio de un sistema de tránsito rápido como parte fundamental del primero y, finalmente, el
desarrollo de un programa de vialidad urbana.
En 1.968 se comenzó a elaborar el proyecto del Metro de Caracas, seleccionándose para
ello al consorcio internacional formado por las empresas Parsons, Brinckerhoff, Quade &
Douglas de Nueva Cork y Alan M Voorhees de Washington.
En 1975 comenzaron las licitaciones de las obras civiles y un año después arrancó en
firme la construcción del Metro. El 12 de marzo de 1.975 el presidente de la República ante el
Congreso Nacional anuncia la construcción de la línea Propatria-Petare del Metro, comenzando
por el extremo oeste.
En abril de 1.977 la Oficina de Proyectos y Obras del Metro pasa a depender del
Ministerio de Transporte y Comunicaciones (MTC), y cuatro meses más tarde, el 8 de agosto de
ese mismo año se funda la Compañía Anónima Metro de Caracas, adscrita a dicho ministerio,
cuya dirección es presidida por el Ing. José González Lander.
El objeto principal de la compañía es “la construcción e instalación de las obras y equipos,
tanto de infraestructura como superestructura del Metro de Caracas, el mantenimiento de sus
equipos, instalaciones y la operación, administración y explotación de dicho sistema de
16
transporte, así como la construcción, dotación, operación, y explotación de otras instalaciones y
sistemas complementarios y auxiliares del subterráneo, tales como estacionamientos, sistemas
superficiales, elevados, subterráneos de transporte urbano y suburbano”.
En octubre de 1.977 el ejecutivo Nacional le dio prioridad a la línea 2 (Caricuao-El
Silencio), iniciándose los estudios y proyectos de este ramal. Durante ese año se concluye el
proyecto del tramo La Hoyada - Chacaito y se inicia el correspondiente al tramo Chacaito - Los
Dos Caminos.
Para el año 1.979, se concluyen las estaciones Propatria, Pérez Bonalde, Plaza Sucre, Gato
Negro, y Colegio de Ingenieros. Igualmente se inicia la renovación urbana en el boulevard de
Sabana Grande, también se licita para la construcción de la fuente luminosa de Plaza Venezuela.
En ese mismo año, llegó desde Francia el primer cargamento de rieles para ser instalados en el
tramo Propatria - Chacaíto.
En 1.980 se inaugura el boulevard de Sabana Grande y para 1.981 se concluyen 12
estaciones de la Línea 1. Finaliza la construcción de 6.896 metros de túneles gemelos de los
tramos Propatria - La Hoyada y La Hoyada - Chacaito, así como 2.100 metros de vías a nivel y
464 metros elevados.
En enero de 1.985, se inicia la construcción del segundo tramo de la Línea 1 Chacaíto Los Dos Caminos y la expropiación y demolición de inmuebles del tramo La Paz - El Silencio de
la Línea 2.
El 4 de octubre de 1.987 comenzó a funcionar la primera etapa de la Línea 2, Las
Adjuntas – Zoológico - La Paz, con 16,3 kilómetros de red férrea y 9 estaciones.
El Metrobús inicio operaciones en octubre de 1.987, con un servicio de transferencia entre
la estación La Paz y la estación Capitolio de la Línea 1.
17
Un año después, el 6 de noviembre de 1.988 arranca el tramo La Paz - El Silencio de la
Línea 2 inicia su operación.
En los años siguientes el Metro continuó su expansión hasta finalizar completamente los
20,36 kilómetros de la Línea 1, con el tramo Los Dos Caminos - Palo Verde, inaugurado el 19 de
noviembre de 1.989. El avance no se detuvo y el Metro se expandió hacia la parte sur de la
ciudad, el 18 de diciembre de 1.994 entró en funcionamiento el tramo Plaza Venezuela - El Valle,
de Línea 3.
Actualmente la red del subterráneo cuenta con 42,5 kilómetros de extensión y 39
estaciones, que movilizan diariamente cerca de millón doscientos mil usuarios.
En el año 2.001 se inició la construcción de este tramo de la Línea 4, paralelo a la Línea 1
Propatria - Palo Verde, partiendo desde la estación Capuchinos hasta la Zona Rental de Plaza
Venezuela. En su primera etapa de 5,5 kilómetros, cuenta con 4 estaciones: Teatros, Nuevo
Circo, Parque Central y Zona Rental, todas subterráneas. Este ramal operará como una extensión
directa de la Línea 2, manteniendo su actividad normal entre Capuchinos y El Silencio, donde
continuará funcionando la transferencia hacia la Línea 1.
Otro proyecto del Metro de Caracas que espera por su ejecución es la segunda etapa de la
Línea 3, ramal del subterráneo que permitirá la conexión con ferrocarril de los Valles del Tuy.
Este nuevo ramal tendrá una extensión de 5,9 kilómetros desde la actual estación El Valle hasta
los terrenos del El Hipódromo, donde se conectará con la estación Caracas del ferrocarril.
DEFINICIÓN DE LA EMPRESA
La C.A. Metro de Caracas es una empresa Competitiva, en términos de calidad,
efectividad y eficiencia como resultado de una gestión productiva y consistente, a través del
aprovechamiento de las oportunidades de negocios que brindan, tanto las condiciones del
18
mercado como la infraestructura de la empresa, a fin de potenciar la generación de nuevos
ingresos y posicionar en el mercado la Imagen del Metro de Caracas.
MISIÓN
La Misión de la C.A Metro de Caracas es la de contribuir al desarrollo del transporte
colectivo en el Área Metropolitana de Caracas, mediante la planificación, construcción y
explotación comercial de un sistema integrado de transporte, conformado por una red ferroviaria
metropolitana (Metro) y una red alimentadora de transporte superficial (Metrobús), que preste el
servicio público de transporte en forma segura, efectiva, eficiente y confiable, manteniendo su
autosuficiencia financiera. La C.A Metro de Caracas, está adscrita al Ministerio de
Infraestructura.
VISIÓN
•
El usuario es de la mayor importancia para la Empresa y debe recibir un
excelente servicio.
•
El usuario puede aprender nuevas conductas y debe ser persuadido en vez de
reprimido.
•
La Empresa tiene la oportunidad de mejorar la calidad de vida en la ciudad y
debe aprovecharla.
•
La Empresa está en capacidad de crear, adquirir, conservar y transferir
experiencia y tecnología de transporte.
•
La Empresa tiene la alta responsabilidad de crear y mantener una excelente
imagen y un elevado nivel de prestigio.
19
•
La Empresa debe buscar la excelencia en todas sus actividades
y a todos los niveles de la organización.
•
El ejemplo del Metro puede extenderse a otras actividades
y áreas del país.
VALORES
•
Orgulloso de ser trabajador Metro
•
Honestidad
•
Responsabilidad
•
Solidaridad
GENTE
La Compañía Anónima Metro de Caracas, se caracteriza por contar con un recurso
humano altamente calificado, profesionales, técnicos, especialistas, personal operativo y obrero,
hacen de una tarea de 24 horas, un servicio de calidad para una población que se traslada a través
de 45.6 kilómetros de vía férrea y 24 rutas de Metrobús.
El personal operativo del Metro, es altamente capacitado para atención del usuario y de
las diferentes eventualidades que se presentan en la operación comercial del sistema, por ello
cuenta con una formación especial, ya que es el responsable del transporte, confort, seguridad y
rapidez del viaje que realizan más de 1.300.000 personas diariamente.
El valioso recurso humano que tiene esta gran responsabilidad, está capacitado (según sus
diferentes niveles) para dar respuesta inmediata a los requerimientos de los usuarios, por ello esta
formado académicamente en:
20
•
Trato al usuario
•
Primeros auxilios
•
Defensa personal
21
Capítulo 3: MARCO TEÓRICO
El GMA es una máquina eléctrica que posee fuentes térmicas internas, como toda
máquina eléctrica, que se traducen en pérdidas para el equipo y que le transfieren energía en
forma de calor, elevando su propia temperatura.
El calor que se genera en las máquinas eléctricas es una de las consecuencias del proceso
de conversión de energía eléctrica en mecánica, o viceversa, implica pérdidas, las cuales se
manifiestan en forma de calor en el seno de la máquina.
Los tipos de pérdidas que se pueden encontrar en una máquina eléctrica son: mecánicas,
magnéticas y eléctricas.
Pérdidas mecánicas.
Son las debidas a los rozamientos de las piezas móviles: ejes, cojinetes, rodamientos,
ventilador, escobillas, etc. La cantidad de estas pérdidas depende en gran medida de la velocidad
de giro de la máquina, dado que la mayor parte de estos rozamientos son de origen viscoso, y en
consecuencia, dependen directamente de la velocidad. El hecho de que en la mayoría de las
ocasiones las máquinas eléctricas funcionan en regímenes sensiblemente constantes, hace que las
pérdidas mecánicas también lo sean.
La magnitud de estas pérdidas es baja, como máximo del orden del 15 % de las pérdidas
totales.
Pérdidas magnéticas.
Estas aparecen en los materiales magnéticos por dos efectos: la histéresis y las corrientes
parásitas. Se comprende que ambos efectos sólo se presentan cuando las masas magnéticas son
sometidas a campos magnéticos variables; variaciones que pueden aparecer, bien porque los
campos magnéticos son variables, o porque las masas magnéticas están en movimiento [1].
22
Pérdidas eléctricas.
Estas son las pérdidas por efecto Joule en todos los conductores de la máquina, de modo
que se podría decir que también son llamadas pérdidas en el cobre. También en muchas máquinas
eléctricas, las diferencias de temperatura entre diversos regímenes de funcionamiento pueden ser
apreciables, y que quizás sea preciso considerar las variaciones en las resistencias de los
conductores debidas a la temperatura. La dependencia de la resistencia con la temperatura se
admite lineal. Así mismo, la resistencia al paso de la corriente eléctrica ofrecida por un
conductor, depende de si la corriente es continua o alterna.
Las pérdidas eléctricas son las más importantes, dado que se suelen sobrepasar el 60% de
las pérdidas totales.
Rendimiento
El rendimiento en una máquina eléctrica se define analíticamente como [2]:
Sin embargo, en la práctica se emplea la relación η = 1 −
Pperdidas
Pentrada
debido al alto
rendimiento que tienen las máquinas eléctricas convencionales, por lo que, el error en el cálculo
del rendimiento se reduce si se estima la potencia de pérdidas que intentar medir la potencia de
entrada y de salida de la máquina.
Calentamiento.
Las pérdidas que se generan en el interior de la máquina dependen de diversos factores, y
éstas se distribuyen de manera no uniforme en la máquina, influenciándose entre sí.
23
Si se deja tiempo suficiente, las diferentes temperaturas que aparecen en una máquina
tenderán a equilibrarse, lo que en otras palabras significa, que se puede asumir un modelo para el
calentamiento compuesto por un único cuerpo de temperatura uniforme. Este razonamiento es
válido cuando se aproxima el comportamiento térmico de la máquina al de un cuerpo sólido
ideal.
Para el caso de un cuerpo sólido ideal, en el cual por unidad de tiempo se originan
perdidas, una parte del calor se libera y otra se almacena. La curva de crecimiento de las
temperaturas se obtiene a través de la siguiente relación [6]:
Calor producido = Calor cedido + Calor almacenado
De esta relación se deriva la siguiente ecuación:
Pperdidas = α * S * (θ 1 − θ 0 ) * ∆t + C * m *
d (θ1 − θ 0 )
* ∆t
dt
Donde Pperdidas es la suma de todas las perdidas individuales independientes del tiempo,
∆t es el intervalo de tiempo, α es el coeficiente térmico del medio refrigerante, S es la superficie
a través de la cual se cede calor, θ1 es la temperatura del cuerpo, θ0 es la temperatura del medio
ambiente refrigerante, C es el coeficiente térmico del cuerpo y m es la masa del cuerpo.
Temperatura máxima admisible en una máquina eléctrica.
La conversión de energía eléctrica en mecánica está directamente asociada a las pérdidas
de energía que finalmente se traducen en un calentamiento de la máquina. Sin importar cual sea
la temperatura máxima admisible por una máquina, la potencia y la temperatura máxima
admisible de dicha máquina dependerá del aguante de los materiales.
La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) denomina a los materiales según su
aguante térmico en clases térmicas [7].
24
Dependiendo de la temperatura máxima a la que son capaces de mantener sus cualidades
aislantes indefinidamente (20.000 horas), los materiales se clasifican en:
A (105 °C), E (120°C), B (130°C), F (155°C), H (180°C); para temperaturas superiores
no se usa ninguna letra sino sólo la cantidad: 200, 220, 250. También la CEI establece los tipos
de materiales pertenecientes a esta clasificación, tal y como se muestra en la siguiente tabla[7]:
Tabla I. Clasificación de materiales aislantes según norma IEC 34.1 y materiales de los que
normalmente se compone.
Temperatura
Clase
Material que conforma el aislamiento
Limite [°C]
Algodón, seda natural y artificial, papel, madera, fibra
A
65
E
80
Barniz para alambre, celulosa, etc.
B
90
Fibra de vidrio, asbesto, mica
F
115
H
140
vulcanizada, PVC. Tratados con lacas de resina artificial.
Fibra de vidrio, asbesto, productos de mica, barniz a base de
poliéster.
Fibra de vidrio y asbesto tratados con resinas a base de
siliconas.
Para obtener el valor final de la temperatura límite que soporta el asilamiento se debe
agregar la temperatura ambiente, para lo cual se utiliza un valor máximo de 40 °C a alturas
inferiores a los mil metros, además hay que considerar un valor basado en la experiencia y que
tiene que ver con el punto más caliente, este se ubica entre 5 °C y 15 °C. Finalmente, si
aplicamos estas correcciones a los valores de la tabla obtenemos de manera aproximada los
valores iniciales de la temperatura límite, esto se puede hacer a través de la siguiente ecuación:
Tlim final = Tlim inicial + Tamb + T pcal
Ingresando los datos anteriores la ecuación que queda es la siguiente:
25
Tlim final = Tlim inicial + 40 °C + 10 °C
Los procesos que describen la forma en que el calor se transmite a las diferentes partes de
las máquinas desde las diferentes fuentes de calor de la misma se rige por la Teoría de
Transferencia de Calor.
Teoría de Transferencia de calor
Es el proceso mediante el cual se intercambia energía en forma de calor entre distintos
cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura, a través
de procesos específicos. Además, todo cuerpo tiene la capacidad de acumular o ceder energía
térmica trayendo como consecuencia la variación de su temperatura [4].
Los tres procesos a través de los cuales se efectúa la transferencia de calor son:
convección, radiación y conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar
simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.
Convección
Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele
disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y
menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de
movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se
denomina convección natural, este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra.
La ecuación que describe la transferencia de calor por convección es la siguiente [4]:
q = α (Tw − T∞ )
26
Donde α es el coeficiente de transferencia de calor y Tw y T∞ son las temperaturas de la
superficie y el medio ambiente refrigerante, respectivamente. La constante α depende del tipo de
fluido, características del flujo y de las dimensiones y forma de la superficie.
El valor de esta constante se ha determinado a través de relaciones empíricas que
dependen de números adimensionales tales como, el numero de Grashof para la “convección
libre”, Prandatl, Nusselt y Reynolds, cada uno empleado al tipo de caso que mejor se ajuste.
Otra ecuación que describe el proceso de convección es la siguiente [4]:
Qcon = S a * λcon * θ
Donde Sa es la superficie activa del cuerpo, λcon es el coeficiente de transmisión de calor
por convección y θ = θ1 – θ0 es la diferencia de temperatura entre la superficie, θ0, y el fluido, θ1.
De acuerdo a resultados experimentales, un valor de 8 [W/(°C*m2)] para λcon es aceptado si el
proceso de convección es natural y aplica además tanto para máquinas eléctricas como para
transformadores [5].
Radiación
La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos
relacionados con ondas electromagnéticas. La contribución de todas las longitudes de onda a la
energía radiante emitida se denomina poder emisor del cuerpo, y corresponde a la cantidad de
energía emitida por unidad de superficie del cuerpo y por unidad de tiempo. Como puede
demostrarse a partir de la Ley de Planck, el poder emisor de una superficie es proporcional a la
cuarta potencia de su temperatura absoluta. El factor de proporcionalidad se denomina constante
de Stefan - Boltzmann, y cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía
emitida.
27
Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. La expresión
matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía
radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo.
Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un
cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la Ley de Planck. Los
cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor.
La radiación total emitida por una superficie depende del área, características del material,
temperatura y el entorno. La transferencia de calor por este proceso también depende del ángulo
de radiación, emisividad y temperatura de las superficies que intercambien calor en el proceso.
La ecuación que permite estudiar este proceso cuando se considera al entorno como un
cuerpo negro ideal, es decir, con absorvitividad igual a 1, es la siguiente[4]:
(
q = σ * ε * Tw4 − T∞4
)
[W/m2]
Donde la variable, Tw, es la temperatura del cuerpo y, T∞, la temperatura del entorno, ε
es al emisividad del cuerpo, σ es la constante de Stefan - Boltzman.
Otra ecuación que describe este proceso, según el principio de Stefan-Boltzman, es la
siguiente [6]:
(
)
q rad = α rad * θ 14 − θ 04 [W/m2]
Donde, θ1, es la temperatura del cuerpo emisor y, θ0, es la temperatura del entorno, la
constante αrad es el coeficiente de radiación que según datos experimentales se ubica entre 4*10-8
y 5,65*10-8 finalmente, qrad es la cantidad de calor irradiado por la unidad de superficie del
cuerpo dado en la unidad de tiempo.
28
Conducción
Siempre que exista un gradiente de temperatura en un medio sólido (principalmente en los
metales), el calor fluirá por conducción de la región con mayor temperatura a la región con menor
temperatura debido al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe
una diferencia de temperatura.
La ecuación de la conducción del calor en un medio homogéneo e isótropo tridimensional
es[6]:
•
ρ es la densidad del sólido.
•
c es el calor específico.
•
K es la conductividad térmica.
Cuando se considera un flujo de calor unidimensional, la razón a la cual se transfiere el
calor por conducción q, es proporcional al gradiente de temperatura dT/dx por el área a través de
la cual se transfiere el calor.
q = − kA
∂T ( x )
∂x
En esta relación T(x) es la temperatura local, x es la distancia en la dirección de flujo de
calor,
∂T ( x)
[°K/m] es el gradiente de temperatura y A es el área transversal [m2]. La razón real
∂x
de flujo de calor depende de la conductividad térmica k [W/mºK], la cual es una propiedad física
del medio.
29
Esta ecuación se conoce como la Ley de Fourier de Conducción y el signo negativo es
consecuencia de la Segunda Ley de la Termodinámica, la cual establece que el calor debe fluir en
la dirección de la temperatura más alta a la más baja.
En el caso de cuerpos anisótropos el proceso de conducción puede darse tanto en sentido
longitudinal como transversal. Si se sólo se desea estudiar el caso en el que el calor se propaga de
forma paralela en todos los puntos, entonces el estudio es más sencillo y se reduciría al caso entre
superficies paralelas y al de cilindros concéntricos.
Para el caso de superficies paralelas separadas por una distancia δ, con un coeficiente de
conductibilidad λ correspondiente al medio que separa a las superficies en cuestión, S la
superficie que emite calor y θ1- θ0 es la diferencia de temperatura estacionaria, la ecuación de
conducción de calor es la siguiente[4]:
Q=
S *λ
δ
* (θ1 − θ 0 )
[W]
Si el caso es de cilindros concéntricos donde el flujo es radial simple entre radios r1 y r2, la
ecuación que rige este caso es:
Q=
2 * π * λ * (θ1 − θ 0 )
r 
[W]
ln 2 
 r1 
Donde λ es el coeficiente de conductibilidad y θ1- θ0 es la diferencia de temperatura
estacionaria.
30
Capítulo 4: DESCRIPCIÓN DE GRUPO MOTOR ALTERNADOR (GMA)
La máquina en estudio es un convertidor giratorio denominado grupo motor alternador
(GMA), el cual transforma la energía eléctrica de alta tensión de 750Vdc proveniente del tercer
riel o de la toma stinger del taller, en una tensión trifásica de 208Vac que alimenta una red de
distribución trifásica (aire acondicionado, compresor neumático y motores trifásicos), y otra de
78Vdc para el suministro de baja tensión para cargas auxiliares del vagón (carga del banco de
baterías, radio de comunicaciones, sistema de señalización, etc.).
Cada tren de segunda generación tecnológica, se compone de seis (6) vagones, dos (2)
vagones líder, dos (2) vagones remolques y dos (2) vagones de servicio. Por cada tren hay
instalados cuatro convertidores o GMA, uno en cada vagón líder y los otros dos (2) en cada
vagón de servicio.
El equipo convertidor de conversión de energía (GMA) comprende:
•
Un motor DC de 750 Vdc, de un alternador a polos salientes sin anillos ni
escobillas y de su excitatriz, así como de una estatodina a dos flujos
magnéticos independientes. Estas cuatro máquinas están colocadas en el
mismo árbol.
•
Una resistencia (REX) de regulación del campo del motor de 180Ω y potencia
de 3kW, ubicada dentro del conjunto.
•
Un puente rectificador (WEX) de regulación del campo del motor ubicado
dentro del conjunto.
•
Un puente de diodos giratorios de la excitatriz.
31
•
Un cofre que contiene los sistemas de regulación, control y de protección, el
cual se encarga de manejar el arranque, el funcionamiento y la parada de los
convertidores giratorios.
El motor dc posee cuatro polos, es compensado, auto-ventilado, y los polos principales y
auxiliares son laminados. El rotor y el estator poseen aislamientos de clase F. Se utilizan sólo dos
escobillas para hacer más fácil sus inspecciones y su reemplazo, el cual puede hacerse por debajo
del vagón. La regulación de velocidad del motor se hace por variación del campo magnético por
los arrollamientos compound garantizándolas mejores características de seguridad y de
comportamiento en régimen transitorio.
El alternador es excitado por una rueda polar de cuatro polos. El rotor y el estator tienen
aislamiento de clase F. Las características del alternador y de su sistema de excitación están
definidas por las mejores capacidades de sobrecarga, para facilitar el arranque de los motores
asincrónicos potentes sin artificios particulares.
La excitatriz es un alternador inverso con seis polos en el cual la excitación se encuentra
en el estator y el bobinado alternativo en el rotor, que alimenta el inductor principal a través de un
puente de diodos giratorios.
La estatodina es una máquina homopolar sin bobinados giratorios, ni contactos
deslizantes (o rozantes) con dos flujos magnéticos colocados, ubicada al principio del conjunto, y
en la cual las dos excitaciones y los dos bobinados alternativos inducidos se encuentran en el
estator.
Una salida trifásica de la máquina es destinada a la carga de la batería por intermedio de
un puente rectificador y otra es utilizada para la modulación de la excitación del arrollamiento
shunt del motor, a fin de regular la velocidad del convertidor, por medio de otro puente
rectificador (WEX).
32
Las impregnaciones de todos los bobinados son realizados en vacío y a presión.
Este convertidor es del tipo auto-ventilado, con tomas de aire de enfriamiento del motor y
del alternador constituidas por medio de un sistema “VORTEX”, el cual consiste de un filtro
centrífugo que expulsa el polvo y el agua a la entrada del convertidor.
A continuación se especifican las características técnicas de las máquinas que
integran al GMA:
Tabla II. Motor de Corriente Continua.
Tensión nominal:
750 V
Tensión máxima permanente:
Tensión mínima permanente:
Tensión mínima permanente en régimen degradado:
Corriente inducida nominal:
950 V
600 V
450 V
137 A
Corriente inducida máxima:
Corriente inducida shunt nominal:
Corriente inductor shunt máximo:
174 A
5,8 A
13,7 A
Potencia continua:
Condición de velocidad de rotación:
95 kW
1800 rpm ± 5%
Velocidad de embalamiento:
Condición de ventilación:
2700 rpm
0,32m3/s a la velocidad de 1800rpm
Calentamientos admisibles (temperatura ambiente: 40 ºC)
Para el colector:
105 ºC
Para el inducido:
140 ºC
Para el estator:
155 ºC
33
Tabla III. El Alternador.
Tensión nominal:
208V
Tensión máxima:
Potencia continua:
Potencia instantánea:
Corriente de fase nominal:
Corriente de fase máxima:
Corriente de excitación nominal:
Corriente de excitación máxima:
208V
85kVA/69kW
175kVA
236A
500A
56A
112A
0,80
0,60
60Hz
Cos φ (Régimen Continuo):
Cos φ (Régimen Pico):
Frecuencia:
Calentamientos admisibles (temperatura ambiente: 40 ºC)
Para el inductor:
155 ºC
Para el inducido:
155 ºC
Tabla IV. La Excitatriz.
Tensión nominal rectificada:
30V
Tensión máxima rectificada:
Corriente nominal rectificada:
Corriente máxima rectificada:
Corriente en el inductor:
Velocidad de rotacion:
50,6V
41,5A
70A
1,7A
1800 rpm
Calentamientos admisibles (temperatura ambiente: 40 ºC)
Para el inductor:
155 ºC
Para el inducido:
140 ºC
34
Tabla V. La Estatodina.
Régimen continuo
Eje 1 (Batería)
Tensión nominal rectificada:
Corriente nominal rectificada:
Corriente máxima en el inductor:
78 V
115 A
5,5 A
Velocidad mínima a plena carga: 1710 rpm
Eje 2 (Excitación)
Tensión nominal rectificada:
200 V
Corriente nominal rectificada:
14 A
Corriente máxima en el inductor:
5,5 A
Velocidad mínima a plena carga: 1710 rpm
Régimen máximo
Eje 1 (Batería)
Corriente máxima rectificada:
Corriente máxima en el inductor:
120 A
6A
Eje 2 (Excitación)
Corriente máxima rectificada:
18 A
Corriente máxima en el inductor:
6A
Calentamientos admisibles (temperatura ambiente: 40 ºC)
Para el inductor:
155 ºC
Para el inducido:
155 ºC
El grupo motor alternador (GMA) se encuentra instalado longitudinalmente bajo el vagón,
con las suspensiones elásticas de tipo metal - caucho. Estas suspensiones soportan aceleraciones
de
2G
en todos los sentidos, a razón de una frecuencia de trescientas (300) veces para
veinticuatro (24) horas. Las aceleraciones admisibles por los únicos choques longitudinales son
de 5G .
35
Capítulo 5: MEDICIONES
Para la medición de las temperaturas alcanzadas por los GMA de segunda generación se
elaboraron dos tipos de ensayos, el primero en sitio, el cual consistió en medir las temperaturas
de los GMA en pleno funcionamiento de los trenes en operación comercial y con todas sus cargas
conectadas, y el segundo en un banco de pruebas para los GMA disponible en la empresa. Cada
uno de estos ensayos tenía por objeto registrar el comportamiento de las variables térmicas y
eléctricas más relevantes de estas máquinas en condiciones reales de funcionamiento (operación
comercial) y simulaciones experimentales (banco de prueba), para su posterior análisis.
El procedimiento de medición se llevó acabo inicialmente en el taller de mantenimiento
de motores eléctricos de Patio I, ubicado en Propatria, el cual consistió en seleccionar un GMA
100% operativo proveniente de dicho taller y posteriormente en hacerlo funcionar en el banco de
pruebas en condiciones de carga similares a las encontradas en el servicio comercial.
Una vez transcurrido un tiempo de 30 minutos, se procedió a medir las temperaturas
alcanzadas por el equipo con un termopen (termómetro de contacto) marca SKF, modelo TMTP
1 y una termocupla en diferentes zonas de la carcasa, para así determinar los puntos de interés y
registrar los datos obtenidos, el mismo procedimiento se repitió 30 minutos más tarde con el fin
de observar si existían cambios en los datos registrados previamente.
Finalmente con los datos obtenidos de la medición se determinó que el tiempo mínimo
para la estabilización de las temperaturas en el equipo, fue de treinta (30) minutos, y además se
diseño un mapa térmico del GMA, como se aprecia en la fig.1.
36
.
.
E
.
E1
C
. .
A
.
G
B
.
H
.
.
D
F
Fig.1 Mapa Térmico del GMA
En donde, A es la estatodina, B el rodamiento de lado de la estatodina, C la carcasa del
lado de la REX, D la carcasa del lado de la WEX, E la rejilla del lado de al REX, F es la rejilla
del lado de la WEX, G la carcasa del lado del motor, H la rejilla de la entrda de aire del GMA.
Las mediciones en sitio se realizaron en el taller de mantenimiento correctivo de patio II
ubicado en la estación comercial de las Adjuntas en Línea 2 y en la fosa de mantenimiento de
trenes ubicada en la estación comercial del Valle en Línea 3.
La empresa cuenta con una flota de diecisiete (17) trenes de segunda generación
tecnológica, de los cuales diez (10) operan comercialmente en la Línea 2 y siete (7) en la Línea 3.
Las mediciones fueron efectuadas en trece (13) trenes pertenecientes a un total de quince
(15) en operación comercial, representando este grupo una muestra del 76 % del universo de
trenes disponibles (15 trenes). El resto de los trenes no se incluyeron en la medición debido a que
éstos se encontraban en mantenimiento profundo por parte de los talleres de mantenimiento de la
empresa.
37
Para las mediciones realizadas en la Línea 2, la mayoría de los trenes entraron al taller
luego de la operación comercial, sin embargo su ingreso a la fosa no era inmediato, ya que
permanecían cierto tiempo en la estación Las Adjuntas para el desembarque de los pasajeros y
esperando el permiso de ingreso al taller, por lo que, se presume que se pierde precisión en los
datos recabados en cuanto al comportamiento de las temperaturas del GMA en la línea. En Línea
3, todos los trenes ingresaron a la fosa inmediatamente después de la operación comercial,
garantizando que los datos recabados reflejaran con mayor exactitud el comportamiento real de
las temperaturas del GMA en la línea.
Por otro lado, las mediciones se llevaron acabo a distintas horas del día, debido
fundamentalmente al programa de mantenimiento de cada uno de los talleres y a la ocurrencia de
fallas en los trenes durante la operación comercial, lo que ameritaba su ingreso al taller fuera de
la programación de mantenimiento.
Las mediciones se iniciaban una vez que el tren permanecía encendido por 30 minutos,
sin embargo algunas de éstas se realizaron con el tren encendido durante varias horas, con el
propósito de evaluar la evolución en el tiempo de las temperaturas alcanzadas por los GMA de
esos mismos trenes. No obstante, en todas las mediciones se esperó el tiempo estimado para la
estabilización de las temperaturas (30 min.).
Es necesario mencionar, que para las mediciones de temperatura realizadas se emplearon
un pirómetro (termómetro de luz infrarroja) y una cámara de luz infrarroja.
38
Para registrar los datos obtenidos en las mediciones se empleó la siguiente tabla:
Tabla VI. Medición de las temperaturas asociadas a los GMA de 2da Generación
(Línea: 2 o 3 ).
Nº Tren:
T (ºC) Ambiente.:
V alta tensión (dc):
Vagón:
Nº GMA:
Ient:
T(ºC) en A
T(ºC) en B
T(ºC) en C
T(ºC) en D
T(ºC) en E
T(ºC) en E1
T(ºC) en F
T(ºC) en G
T(ºC) en H
Observaciones:
En ésta se registró la Línea a la que pertenece el tren, el número de tren, la temperatura
ambiente, la tensión de alimentación del GMA, número del vagón del GMA, el número de GMA,
la corriente de entrada (Ient) al GMA, la temperatura de los puntos seleccionados mostrados en el
mapa térmico y las observaciones.
39
Para la medición en sitio de las temperaturas, voltaje y corriente de entrada al equipo, se
siguió la siguiente metodología:
1. Se ingresó el tren a la fosa inmediatamente después de haber prestado servicio
comercial en la línea.
2. El tren se mantuvo encendido, con todas sus cargas operativas al 100%.
3. En caso de que el tren no proviniera inmediatamente de la operación comercial, se
dejó encendido por un tiempo no menor a 30 minutos.
4. Se registró el número de tren.
5. Se registró el número de vagón.
6. Se registró el número de GMA.
7. Se midió la temperatura con el pirómetro y con la cámara infrarroja de los puntos
seleccionados en el GMA.
8. Se registraron las temperaturas en el mapa térmico.
9. Se midió la corriente de entrada en el cable del fusible MF.
10. Se midió la tensión de alimentación entre el punto de conexión del fusible MF y
el riel.
Por otro lado, las mediciones en el banco de pruebas se llevaron acabo en el taller de
mantenimiento de motores eléctricos, ubicado en el edificio de Material Rodante de Propatria.
Para la realización de estas mediciones, se dispuso de un GMA de segunda generación
100% operativo, al cual se le colocaron internamente tres (3) termocuplas tipo K, las cuales
fueron ubicadas de la siguiente manera: rodamiento del lado de la excitatriz, estator de la
excitatriz del lado de la REX y en la cabeza de bobina del lado de la REX. Para su fijación se
empleo cinta adhesiva especial y para favorecer el contacto con los puntos de medición se empleo
40
una pasta termoconductora marca Thermalloy Inc., con la siguientes características: temperatura
de trabajo de -40 a 204 ºC, conductividad térmica 0.0009 Cal / sec * cm * ºC. Las temperaturas
externas se midieron con el pirómetro ajustado 0.95 de emisividad y se empleo una cámara
infrarroja para registrar las imágenes térmicas del equipo.
Los intervalos de medición fueron de 60 minutos cada uno y en los cuales se procedía a
medir las siguientes variables: temperaturas externas e internas del equipo, velocidad del flujo de
aire de entrada al equipo, temperatura del flujo de aire a la entrada y a la salida por el lado de la
REX y de la WEX, y al finalizar la medición de cada una de estas variables, se procedió a
obstruir la entrada de aire del GMA con tapas de cartón de 25%, 50% y 75% del área
correspondiente a la misma, de esta manera se redujo de forma progresiva el caudal de aire de
entrada al equipo, repitiéndose las mismas para cada caso de obstrucción.
Para la medición en el banco de pruebas de las temperaturas, voltaje, corriente y del
caudal de aire de entrada al equipo, se siguió la siguiente metodología:
1. Se seleccionó un GMA operativo del taller de mantenimiento.
2. Se puso en funcionamiento el GMA en el banco de pruebas.
3. Se midió la temperatura del GMA antes de energizarlo.
4. Se procedió a energizar el equipo a un 33% de su capacidad nominal, por un
intervalo de tiempo de cinco (5) horas.
5. Una vez transcurrida la primera hora, se procedió a medir la temperaturas de los
puntos A, B, C, D, E, E1, F, G, y H, correspondientes a la parte externa del equipo
y de las tres (3) termocuplas correspondientes a la parte interna.
6. Se midió la corriente de entrada en el cable del fusible MF.
41
7. Se midió la tensión de alimentación entre el punto de conexión del fusible MF y
la tierra.
8. Se midió la velocidad del flujo de aire de entrada en cinco (5) puntos específicos
en la tapa de ventilación, cuatro (4) en la periferia y uno (1) en el centro.
9. Se midió la velocidad del flujo de aire que sale del filtro de ventilación.
10. Se midió la temperatura del flujo de aire de salida por el lado de la REX y de la
WEX en la parte central de la rejilla de salida.
11. Cada sesenta (60) minutos se colocaron discos de cartón en la entrada de aire del
GMA de un área equivalente al 25%, 50% y 75% de la misma y se repitieron las
mediciones de temperatura y de velocidad del flujo de aire, para cada uno de los
niveles de obstrucción.
12. Finalmente, se cubrió con un trozo de tela toda la entrada de aire del GMA y se
procedió a medir la velocidad de los flujos de aire de entrada y las temperaturas de
los puntos externos e internos.
42
EQUIPOS UTILIZADOS:
Los equipos empleados para la medición de las temperaturas, voltajes, corrientes y
caudal de aire, son los siguientes:
•
Termómetro de luz infrarroja (Pirómetro), marca Scotchtrak 3M, Modelo IR-1600L3.
Características:
o Rango de temperaturas: -18ºC a 870ºC
o Precisión: ± 1%
o Tiempo de respuesta 250 msec.
o Espectro de respuesta: 8-14 micrones
o Campo de visión Distancia: Diámetro del láser: 30:1
o Temperatura de trabajo: 0ºC-50ºC
o Humedad, operación máxima: 95%
•
Cámara de luz infrarroja, marca: AGEMA 590 NTSC.
•
Voltímetro, marca FLUKE.
Características:
o Voltaje máximo: 1000DC
•
Amperímetro, marca FLUKE.
Características:
o Voltaje máximo: 1000VDC
o Corriente máxima: 400AmpDC
43
•
Anemómetro digital, marca: EXTECH INSTRUMENTS, Modelo: 451112.
Características:
o Rango: 0,4m/s - 30,0m/s
•
Termómetro digital con termocuplas tipo K.
Características:
o Campo de medida del termopar tipo K: -200º C hasta 1370º C
o Ambiente externo:
Temperatura: 0º C hasta 50º C
Humedad: 0% hasta 90% (0º C hasta 35º C ); 0% hasta 70% (35º C hasta
50º C)
•
Cámara digital.
Es importante acotar que los equipos de medición de temperatura por haz de luz infrarroja
fueron ajustados a un valor de emisividad de 0.95, valor recomendado por el fabricante de estos
equipos, y que además se tomó en cuenta el valor de la temperatura ambiente y de la humedad
relativa, ya que estos son parámetros de ajustes de los mismos. El valor de emisividad de 0.95 se
ajusta para el caso de los cuerpos negros no ideales.
44
Capítulo 6: RESULTADOS
A continuación se muestran los resultados obtenidos de las mediciones realizadas en sitio,
primero a través de dos tablas que presentan las temperaturas registradas de cada uno de los
puntos seleccionados según el mapa térmico (A, B, C, D, E, E1, F, G, H), así como también los
valores de voltaje de alimentación y corriente de entrada de cada uno de los GMA (presentándose
por cada valor de tensión el valor de la corriente de entrada correspondiente a cada uno de los
GMA) y la temperatura ambiente a la cual se efectuaron las mediciones. También se puede
observar en cada una de las tablas el valor promedio de las temperaturas y su respectiva
desviación estándar. Después se presentan las imágenes térmicas registradas de un GMA en la
fosa de Línea 3 y los valores de tensión de alimentación, corriente de entrada, temperatura
ambiente y humedad relativa.
Es importante acotar que se registraron imágenes térmicas de cuatro GMA solo para
verificar los resultados obtenidos con el pirómetro y para tener una visión más detallada acerca de
la forma en que se distribuyen las temperaturas en estas máquinas.
45
Tabla VII. Temperaturas, Voltaje y Corriente de Entrada de los GMA de 2da generación de
Línea 2.
Valta
tensión
Corriente
Temp.
de
Ambient
entrada
e
T(ºC) en
T(ºC) en
T(ºC)
T(ºC)
T(ºC)
T(ºC)
T(ºC)
T(ºC)
T(ºC)
A
B
en C
en D
en E
en E1
en F
en G
en H
84
51º
51º
55º
53º
226º
69º
66º
57º
37º
78
54º
54º
54º
52º
220º
71º
67º
56º
34º
65
56º
55º
58º
56º
231º
72º
72º
57º
37º
76
56º
55º
54º
53º
214º
69º
64º
54º
33º
57
68º
68º
67º
65º
220º
83º
81º
66º
39º
77º
74º
70º
68º
224º
84º
83º
70º
42º
52
71º
72º
67º
66º
220º
82º
80º
67º
37º
29
71º
70º
63º
62º
211º
74º
74º
63º
38º
30
54º
53º
54º
52º
232º
67º
68º
54º
32º
72º
69º
64º
63º
237º
84º
77º
65º
37º
37
68º
63º
59º
59º
229º
77º
70º
61º
32º
40
66º
66º
63º
62º
249º
79º
75º
62º
31º
79
75º
79º
77º
76º
234º
97º
99º
74º
42º
69º
69º
64º
63º
183º
74º
74º
67º
34º
73
67º
73º
68º
67º
181º
69º
86º
72º
43º
75
61º
64º
59º
59º
170º
68º
73º
61º
41º
81
78º
78º
75º
72º
241º
96º
89º
74º
38º
75º
72º
68º
67º
252º
82º
82º
68º
41º
72
71º
69º
66º
64º
251º
78º
80º
68º
43º
76
51º
51º
55º
53º
226º
69º
66º
57º
37º
Promedio:
66,31º
66
63,42º
62,05º
222,36º
77,63º
76,84º
64º
37,42º
Desviación:
8,47º
8,62º
6,84º
6,78º
23,03º
8,80º
8,77º
6,41º
3,92º
832
31º
55
824
30º
64
837
32º
68
833
30º
69
833
31º
46
Tabla VIII. Temperaturas, Voltaje y Corriente de Entrada de los GMA de 2da generación
de Línea 3.
Valta
tensión
765
767
770
770
760
760
Corriente
Temp.
T(ºC) en
T(ºC)
T(ºC)
T(ºC)
T(ºC)
T(ºC)
T(ºC)
T(ºC)
T(ºC)
Ambiente
A
en B
en C
en D
en E
en E1
en F
en G
en H
58
78º
75º
72º
72º
213º
88º
84º
70º
49º
76
80º
77º
72º
72º
225º
89º
84º
67º
44º
81º
78º
72º
69º
203º
87º
77º
72º
47º
88
80º
80º
72º
71º
196º
87º
81º
73º
44º
74
71º
72º
72
71º
228º
84º
84º
67º
48º
66
72º
72º
69º
68º
217º
85º
83º
69º
47º
72º
72º
72º
71º
209º
85º
86º
70º
50º
87
68º
68º
68º
67º
204º
82º
84º
68º
45º
84
80º
82º
75º
75º
229º
89º
92º
78º
49º
98
86º
83º
72º
72º
216º
87º
82º
72º
51º
81º
79º
76º
75º
223º
92º
86º
71º
49º
112
83º
88º
78º
77º
222º
90º
91º
74º
53º
62
61º
62º
61º
59º
203º
75º
71º
59º
50º
84
62º
63º
63º
63º
220º
78º
79º
63º
47º
63º
65º
63º
62º
201º
76º
81º
62º
44º
77
62º
62º
62º
61º
211º
71º
73º
60º
41º
95
73º
73º
69º
67º
210º
79º
83º
70º
50º
93
77º
76º
74º
73º
209º
83º
89º
77º
51º
76º
79º
76º
74º
194º
92º
89º
77º
51º
82
71º
70º
70º
69º
199º
79º
81º
68º
51º
85
71º
73º
72º
73º
147º
89º
88º
71º
42º
77
79º
79º
76º
76º
159º
97º
89º
73º
46º
72º
74º
73º
72º
187º
89º
83º
72º
47º
86
72º
72º
72º
70º
202º
84º
81º
71º
43º
Promedio:
73,79º
73,91º
70,87º
69,95º
205,29º
84,87º
83,37º
69,75º
47,45º
Desviación:
7,04º
6,73º
4,60º
4,78º
19,60º
6,13º
5,14º
4,98º
3,25º
de
entrada
48
75
79
82
88
78
37º
38º
44º
38º
31º
43º
47
Tabla IX. Imágenes térmicas del GMA Nº 064 en la fosa de Línea 3.
N º GMA
N º Tren
Hora
Tensión de
Alimentación
Corriente
de Entrada
Emisividad
Temp.
Ambiente
064
303
11:03 am
783 VDC
24 ADC
0,95
28,4 °C
Humedad
Distancia
Revisado
35%
1,0 m
07-05
Foto 1. Parte frontal de la Estatodina.
Esta imagen muestra ocho (8) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme, sobre la
superficie de la carcasa de la Estatodina del GMA. Los puntos mencionados poseen la siguiente
temperatura: Sp1= 74,1 ºC; Sp2= 72,8 ºC; Sp3= 82,0 ºC; Sp4= 76,6 ºC; Sp5= 74,3 ºC; Sp6= 71,9 ºC;
Sp7= 72,9 ºC; Sp8= 72,2 ºC.
Foto 2. Parte inferior de la Estatodina.
48
Esta imagen muestra once (11) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme, sobre la
superficie de la carcasa de la Estatodina del GMA. Los puntos mencionados poseen la siguiente
temperatura: Sp1= 73,8 ºC; Sp2= 88,1 ºC; Sp3= 85,5 ºC; Sp4= 79,4 ºC; Sp5= 80,0 ºC; Sp6= 79,5 ºC;
Sp7= 82,6 ºC; Sp8= 88,8 ºC; Sp9= 74,3 ºC; Sp10= 73,6 ºC; Sp11= 77,9 ºC.
Foto 3. Parte inferior del Excitatriz.
Esta imagen muestra ocho (8) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme, sobre la
superficie de la carcasa de la Excitatriz del GMA. Los puntos mencionados poseen la siguiente
temperatura: Sp1= 82,8 ºC; Sp2= 82,5 ºC; Sp3= 82,6 ºC; Sp4= 82,8 ºC; Sp5= 82,7 ºC; Sp6= 82,9 ºC;
Sp7= 81,9 ºC; Sp8= 78,7 ºC; Sp9= 70,8 ºC.
Foto 4. Motor DC y Alternador.
49
Esta imagen muestra diez (10) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme,
sobre la superficie de la carcasa de la Motor DC y Alternador del GMA. Los puntos mencionados poseen
la siguiente temperatura: Sp1= 70,6 ºC; Sp2= 80,9 ºC; Sp3= 82,7 ºC; Sp4= 59,5 ºC; Sp5= 62,0 ºC; Sp6=
64,9 ºC; Sp7= 66,0 ºC; Sp8= 66,1 ºC; Sp9= 70,0 ºC; Sp10= 63,0 ºC.
Foto 5. Tapa de entrada de aire.
Esta imagen muestra siete (7) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme,
sobre la superficie de la carcasa de la Tapa de entrada de aire del GMA. Los puntos mencionados
poseen la siguiente temperatura: Sp1= 45,1 ºC; Sp2= 45,9 ºC; Sp3= 44,5 ºC; Sp4= 43,7 ºC; Sp5=
44,7 ºC; Sp6= 49,2 ºC; Sp7= 44,8 ºC.
Una vez observado los resultados vinculados a las temperaturas registradas en sitio del
GMA se presentan a continuación los resultados pertenecen a las simulaciones realizadas en el
banco de prueba, con el fin de determinar como se ven afectadas las temperaturas alcanzadas por
el GMA bajo condiciones de funcionamiento de carga de 33% de su valor nominal y con el filtro
de entrada de aire gradualmente obstruido.
Inicialmente, se presentan las imágenes térmicas en las que se pueden observar mejor la
distribución de las temperaturas externas e internas del lado de la WEX y de la REX de dos (2)
50
GMA, correspondientes a dos (2) condiciones de operación, una con el filtro de entrada sin
obstrucción y otra con el 75% de obstrucción de la entrada de aire.
Posteriormente, son presentados en seis (6) tablas los resultados correspondientes a los
ensayos para cada nivel de obstrucción (25%, 50% y 75%) de la entrada de aire del área de la
misma, y en las que también se muestra el número del GMA, la tensión de alimentación, la
corriente de entrada al equipo, la velocidad promedio del aire de entrada al equipo, el caudal
promedio del aire de entrada al equipo, la temperatura del aire de entrada al equipo, la
temperatura del aire de salida por el lado de la WEX y del lado de la REX, las temperaturas
externas de los puntos seleccionados en el mapa térmico y las temperaturas internas de los puntos
en los que se fijaron las termocuplas.
Tabla X. Imágenes térmicas del GMA 44 en el banco de prueba con 0% de
obstrucción de la entrada de aire.
Nº GMA
Tensión de
Alimentación
Corriente
de Entrada
Caudal de
Entrada
Caudal de
Entrada %
% Obstrucción
Tiempo
44
865VDC
45A
0,3795m3
/s
100%
0
120min
Emisividad
Temperatura
Ambiente
Humedad
Distancia
0,95
26,6 °C
58%
1,0 m
Foto 6. Vista Frontal de la Estatodina.
51
Esta imagen muestra once (11) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme,
sobre la superficie de la carcasa de la vista frontal de la Estatodina del GMA. Los puntos
mencionados poseen la siguiente temperatura: Sp1= 32,7 ºC; Sp2= 57,8 ºC; Sp3= 64,2 ºC; Sp4=
45,3 ºC; Sp5= 41,5 ºC; Sp6= 41,6 ºC; Sp7= 64,7 ºC; Sp8= 32,5 ºC; Sp9= 33,5 ºC; Sp10= 33,2 ºC;
Sp11= 45,3 ºC.
Foto 7. Vista Lateral Estatodina, WEX, Alternador y Motor.
Esta imagen muestra once (11) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme,
sobre la superficie de la carcasa de la Vista Lateral Estatodina, WEX, Alternador y Motor del
GMA. Los puntos mencionados poseen la siguiente temperatura: Sp1= 46,7 ºC; Sp2= 43,6 ºC;
Sp3= 40,5 ºC; Sp4= 45,3 ºC; Sp5= 45,0 ºC; Sp6= 48,8 ºC; Sp7= 46,7 ºC; Sp8= 46,5 ºC; Sp9=
45,1 ºC; Sp10= 37,1 ºC; Sp11= 47,3 ºC.
Foto 8. Vista Frontal de la REX.
52
Esta imagen muestra trece (13) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme, sobre la
superficie de la carcasa de la Vista frontal de la REX del GMA. Los puntos mencionados poseen
la siguiente temperatura: Sp1= 262,4 ºC; Sp2= 262,4 ºC; Sp3= 238,2 ºC; Sp4= 262,4 ºC; Sp5=
60,2 ºC; Sp6= 64,8 ºC; Sp7= 62,6 ºC; Sp8= 81,7 ºC; Sp9= 77,9 ºC; Sp10= 75,0 ºC; Sp11= 218,6
ºC; Sp12= 259,5 ºC; Sp13= 259,1 ºC.
Foto 9. Vista frontal de la WEX.
Esta imagen muestra trece (13) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme, sobre la
superficie de la carcasa de la Vista frontal de la REX del GMA. Los puntos mencionados poseen
la siguiente temperatura: Sp1= 63,7 ºC; Sp2= 58,8 ºC; Sp3= 61,4 ºC; Sp4= 59,6 ºC; Sp5= 54,2
ºC; Sp6= 58,8 ºC; Sp7= 62,6 ºC; Sp8= 62,3 ºC; Sp9= 59,2 ºC; Sp10= 57,0 ºC; Sp11= 61,3 ºC;
Sp12= 58,8 ºC; Sp13= 56,8 ºC.
Tabla XI. Imágenes térmicas del GMA Nº 44 en el banco de prueba con 75% de
obstrucción de la entrada de aire.
Nº GMA
Tension de
Alimentacion
Corriente de
Entrada
Caudal de
Entrada
Caudal de
Entrada %
% Obstrucción
Tiempo
44
865VDC
45A
0,2222
m3/s
58,55%
75
120min
Emisividad
Temp.
Ambiente
Humedad
Distancia
0,95
26,6 °C
58%
1,0 m
53
Foto 10. Vista Frontal de la Estatodina.
Esta imagen muestra trece (13) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme,
sobre la superficie de la carcasa de la Vista frontal de la Estatodina del GMA. Los puntos
mencionados poseen la siguiente temperatura: Sp1= 54,3 ºC; Sp2= 104,4 ºC; Sp3= 105,9 ºC;
Sp4= 65,9 ºC; Sp5= 62,2 ºC; Sp6= 60,8 ºC; Sp7= 56,0 ºC; Sp8= 53,8 ºC; Sp9= 53,5 ºC; Sp10=
53,9 ºC; Sp11= 54,5 ºC; Sp12= 72,5 ºC; Sp13= 73,2ºC
Foto 11. Vista frontal de la WEX.
Esta imagen muestra trece (13) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme,
sobre la superficie de la carcasa de la vista frontal de la WEX del GMA. Los puntos mencionados
poseen la siguiente temperatura: Sp1= 62,5 ºC; Sp2= 71,1 ºC; Sp3= 73,5 ºC; Sp4= 61,2 ºC; Sp5= 59,6
ºC; Sp6= 73,0; ºC Sp7= 76,0 ºC; Sp8= 63,1 ºC; Sp9= 68,6 ºC; Sp10= 74,4 ºC; Sp11= 71,6 ºC;
Sp12= 44,1 ºC; Sp13= 43,1ºC
54
Foto 12. Vista lateral de la Estatodina, WEX, Alternador y Motor DC.
Esta imagen muestra trece (13) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme,
sobre la superficie de la carcasa de la Vista lateral de la Estatodina, WEX, Alternador y Motor
DC del GMA. Los puntos mencionados poseen la siguiente temperatura: Sp1= 57,1 ºC; Sp2=
80,2 ºC; Sp3= 93,9 ºC; Sp4= 83,4 ºC; Sp5= 95,2 ºC; Sp6= 64,5 ºC; Sp7= 76,0 ºC; Sp8= 63,1 ºC;
Sp9= 68,6 ºC; Sp10= 74,4 ºC; Sp11= 71,6 ºC; Sp12= 44,1 ºC; Sp13= 43,1ºC; Sp14= 92,9 ºC;
Sp15= 91,6ºC
Foto 13. Vista Frontal de la REX.
Esta imagen muestra quince (15) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme,
sobre la superficie de la carcasa de la Vista frontal de la REX del GMA. Los puntos mencionados
55
poseen la siguiente temperatura: Sp1= 364,0 ºC; Sp2= 362,7 ºC; Sp3= 360,0 ºC; Sp4= 343,4 ºC;
Sp5= 320,5 ºC; Sp6= 334,0 ºC; Sp7= 96,8 ºC; Sp8= 105,4 ºC; Sp9= 110,7 ºC; Sp10= 125,1 ºC;
Sp11= 115,7 ºC; Sp12= 108,7 ºC; Sp13= 112,9 ºC; Sp14= 96,6 ºC; Sp15= 96,9 ºC.
Foto 14. Vista frontal de la WEX.
Esta imagen muestra seis (6) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme,
sobre la superficie de la carcasa de la Vista frontal de la WEX del GMA. Los puntos
mencionados poseen la siguiente temperatura: Sp1= 111,4 ºC; Sp2= 109,6 ºC; Sp3= 113,8 ºC;
Sp4= 114,0 ºC; Sp5= 112,6 ºC; Sp6= 88,7 ºC.
Foto 15. Vista frontal de la WEX.
Esta imagen muestra seis (6) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme,
sobre la superficie de la carcasa de la Vista frontal de la WEX del GMA. Los puntos
56
mencionados poseen la siguiente temperatura: Sp1= 99,6 ºC; Sp2= 88,6 ºC; Sp3= 88,4 ºC; Sp4=
89,8 ºC; Sp5= 89,6 ºC; Sp6= 85,3 ºC.
Tabla XII. Imágenes térmicas del GMA Nº 34 en el banco de prueba con 0% de
obstrucción de la entrada de aire.
Nº GMA
Tension de
Alimentacion
Corriente de
Entrada
Caudal de
Entrada
Caudal de
Entrada %
% Obstrucción
Tiempo
34
865VDC
45A
0,3641
m3/s
100%
0
120min
Emisividad
Temp.
Ambiente
Humedad
Distancia
0,95
29,4 °C
53%
1,0 m
Foto 16. Vista frontal de la Estatodina.
Esta imagen muestra nueve (9) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme, sobre la
superficie de la carcasa de la vista frontal de la WEX del GMA. Los puntos mencionados poseen
la siguiente temperatura: Sp1= 41,0 ºC; Sp2= 48,5 ºC; Sp3= 40,8 ºC; Sp4= 42,2 ºC; Sp5= 48,0
ºC; Sp6= 75,5 ºC; Sp7= 41,9 ºC; Sp8= 40,8 ºC; Sp9= 40,8 ºC
Foto 17. Vista lateral de la Estatodina, WEX, Alternador y Motor.
57
Esta imagen muestra doce (12) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme, sobre la
superficie de la carcasa de la vista frontal de la WEX del GMA. Los puntos mencionados poseen
la siguiente temperatura: Sp1= 51,0 ºC; Sp2= 63,9 ºC; Sp3= 70,7 ºC; Sp4= 59,8 ºC; Sp5= 63,2
ºC; Sp6= 64,9 ºC; Sp7= 70,7 ºC; Sp8= 56,3 ºC; Sp9= 46,4 ºC Sp10= 54,9 ºC; Sp11= 61,9 ºC;
Sp12= 49,3 ºC
Foto 18. Vista Frontal de la REX.
Esta imagen muestra catorce (14) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme,
sobre la superficie de la carcasa de la vista frontal de la REX del GMA. Los puntos mencionados
poseen la siguiente temperatura: Sp1= 349,3 ºC; Sp2= 358,0 ºC; Sp3= 363,6 ºC; Sp4= 333,1 ºC; Sp5=
330,1 ºC; Sp6= 321,3 ºC; Sp7= 305,7 ºC; Sp8= 76,7 ºC; Sp9= 90,8 ºC Sp10= 76,8 ºC; Sp11= 91,4 ºC;
Sp12= 83,5 ºC; Sp13= 91,9 ºC; Sp14= 80,4 ºC.
58
Foto 19. Vista frontal de la WEX.
Esta imagen muestra seis (6) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme,
sobre la superficie de la carcasa de la vista frontal de la WEX del GMA. Los puntos mencionados
poseen la siguiente temperatura: Sp1= 62,5 ºC; Sp2= 71,1 ºC; Sp3= 73,5 ºC; Sp4= 61,2 ºC; Sp5= 59,6
ºC; Sp6= 73,0 ºC
Tabla XIII. Imágenes térmicas del GMA Nº 34 en el banco de prueba con 75% de
obstrucción de la entrada de aire.
Nº GMA
Tension de
Alimentacion
Corriente de
Entrada
Caudal de
Entrada
Caudal de
Entrada %
% Obstrucción
Tiempo
34
865VDC
45A
0,2239
m3/s
61,50%
75
120min
Emisividad
Temp.
Ambiente
Humedad
Distancia
0,95
29,4 °C
53%
1,0 m
Foto 20. Vista frontal de la Estatodina.
Esta imagen muestra ocho (8) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme,
sobre la superficie de la carcasa de la vista frontal de la WEX del GMA. Los puntos mencionados
poseen la siguiente temperatura: Sp1= 57,4 ºC; Sp2= 110,1 ºC; Sp3= 112,5 ºC; Sp4= 56,3 ºC; Sp5=
56,6 ºC; Sp6= 57,6 ºC; Sp7= 56,3 ºC; Sp8= 76,9 ºC.
59
Foto 21. Vista lateral del Motor DC y Alternador
Esta imagen muestra once (11) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme, sobre la
superficie de la carcasa de la vista lateral del Motor DC y Alternador del GMA. Los puntos
mencionados poseen la siguiente temperatura: Sp1= 64,7 ºC; Sp2= 62,8 ºC; Sp3= 63,9 ºC; Sp4=
62,4 ºC; Sp5= 61,9 ºC; Sp6= 61,4 ºC; Sp7= 62,9 ºC; Sp8= 52,1 ºC Sp9= 53,9 ºC; Sp10= 58,0 ºC;
Sp11= 60,3 ºC
Foto 22. Vista frontal de la REX
Esta imagen muestra veintitrés (23) puntos de temperatura distribuidos de manera
uniforme, sobre la superficie de la carcasa de la vista frontal de la REX del GMA. Los puntos
60
mencionados poseen la siguiente temperatura: Sp1= 77,1 ºC; Sp2= 406,5 ºC; Sp3= 411,5 ºC; Sp4=
362,4 ºC; Sp5= 349,1 ºC; Sp6= 343,1 ºC; Sp7= 325,6 ºC; Sp8= 122,4 ºC; Sp9= 136,9 ºC Sp10= 113,8 ºC;
Sp11= 119,9 ºC; Sp12= 126,7 ºC; Sp13= 161,4 ºC; Sp14= 135,5 ºC; Sp15= 123,4 ºC; Sp16= 138,2 ºC
Sp17= 111,3 ºC; Sp18= 132,4 ºC; Sp19= 138,7 ºC; Sp20= 108,7 ºC; Sp21= 106,7ºC; Sp22= 76,8 ºC;
Sp23= 81,3 ºC
Foto 23. Vista frontal de la WEX
Esta imagen muestra nuve (9) puntos de temperatura distribuidos de manera uniforme, sobre la
superficie de la carcasa de la vista frontal de la WEX del GMA. Los puntos mencionados poseen
la siguiente temperatura: Sp1= 119,4 ºC; Sp2= 111,7 ºC; Sp3= 111,3 ºC; Sp4= 102,7 ºC; Sp5= 107,1
ºC; Sp6= 112,2 ºC; Sp7= 112,4 ºC; Sp8= 109,9 ºC; Sp9= 109,9 ºC
61
Tabla XIV. TEMPERATURAS Y VELOCIDADES DE LOS FLUJOS DE AIRE CON 0% DE
OBSTRUCCIÓN.
GMA#:
20
T (ºC)
AMB.:
27,3º
V alta tensión(dc):
864VDC
Ient:
46ADC
Tiempo: 60min
VELOCIDAD DEL FLUJO DE AIRE
EN LA ENTRADA
TEMPERATURAS
T(ºC) en A
43º
4,6m/s
T(ºC) en B
49º
4,4 m/s
T(ºC) en
B1
52º
4,4 m/s
T(ºC) en C
61º
3,6 m/s
T(ºC) en D
48º
5,4 m/s
T(ºC) en E
213º
Promedio:
4,8m/s
T(ºC) en
E1
68º
Área del flujo:
0,08548m2
T(ºC) en F
60º
Caudal aprox.:
0,410304m3/s
T(ºC) en G
49º
T(ºC) en H
30º
TERMO 1
63º
TERMO 2
54º
TERMO 3
62º
Velocidad salida del filtro:
27,1m/s
TEMP. DEL FLUJO DE AIRE EN
LA ENTRADA:
27,2ºC
TEMP. DEL FLUJO DE AIRE EN
EL LADO REX:
68ºC
TEMP. DEL FLUJO DE AIRE EN
EL LADO WEX:
53,4ºC
TENSION EN LA WEX:
106VDC
Área aprox.:
0.0016m2
Caudal aprox.:
0,04336m3/s
TENSION EN LA REX:
---------
62
Tabla XV. TEMPERATURAS Y VELOCIDADES DE LOS FLUJOS DE AIRE CON 0% DE
OBSTRUCCIÓN.
GMA#:
20
T (ºC)
AMB.:
27,3º
V alta tensión(dc):
864VDC
Ient:
46ADC
Tiempo: 90min
VELOCIDAD DEL FLUJO DE AIRE
EN LA ENTRADA
TEMPERATURAS
T(ºC) en A
43º
4,6m/s
T(ºC) en B
49º
4,4 m/s
T(ºC) en
B1
52º
4,4 m/s
T(ºC) en C
61º
3,6 m/s
T(ºC) en D
48º
5,4 m/s
T(ºC) en E
213º
Promedio:
4,8m/s
T(ºC) en
E1
68º
Área del flujo:
0,08548m2
T(ºC) en F
60º
Caudal aprox.:
0,410304m3/s
T(ºC) en G
49º
Velocidad salida del filtro:
27,1m/s
T(ºC) en H
30º
TERMO 1
63º
TERMO 2
54º
TERMO 3
62º
TEMP. DEL FLUJO DE AIRE EN
LA ENTRADA:
27,2ºC
TEMP. DEL FLUJO DE AIRE EN
EL LADO REX:
68ºC
TEMP. DEL FLUJO DE AIRE EN
EL LADO WEX:
53,4ºC
TENSION EN LA WEX:
106VDC
Área aprox.:
0.0016m2
Caudal aprox.:
0,04336m3/s
TENSION EN LA REX:
---------
63
Tabla XVI. TEMPERATURAS Y VELOCIDADES DE LOS FLUJOS DE AIRE CON 25% DE
OBSTRUCCIÒN
GMA#:
20
T (ºC) AMB.:
27,6º
Tiempo: 120min
V alta tensión(dc):
864VDC
VELOCIDAD DEL FLUJO DE AIRE EN
LA ENTRADA
TEMPERATURAS
T(ºC) en A
57º
4,4m/s
T(ºC) en B
63º
3,9m/s
T(ºC) en
B1
64º
4,2m/s
T(ºC) en C
69º
3,9m/s
T(ºC) en D
59º
5,0m/s
T(ºC) en E
232º
Promedio:
4,28m/s
T(ºC) en
E1
80º
Área del flujo:
0,08548m2
T(ºC) en F
73º
Caudal aprox.:
0,3658m3/s
T(ºC) en G
58º
T(ºC) en H
30º
TERMO 1
75º
TERMO 2
66º
TERMO 3
73º
Velocidad salida del filtro:
22,6m/s
Ient:
46ADC
TEMP. DEL FLUJO DE AIRE
EN LA ENTRADA:
27,2ºC
TEMP. DEL FLUJO DE AIRE
EN EL LADO REX:
82,4ºC
TEMP. DEL FLUJO DE AIRE
EN EL LADO WEX:
64ºC
TENSION EN LA WEX:
106VDC
Área aprox.:
0.0016m2
Caudal aprox.:
0,03616m3/s
TENSION EN LA REX:
---------
64
Tabla XVII. TEMPERATURAS Y VELOCIDADES DE LOS FLUJOS DE AIRE CON 50% DE
OBSTRUCCIÓN.
GMA#:
20
T (ºC)
AMB.:
26,7º
V alta tensión(dc):
864VDC
Ient:
45,7ADC
Tiempo: 180min
VELOCIDAD DEL FLUJO DE AIRE
EN LA ENTRADA
TEMPERATURAS
T(ºC) en A
65º
3,8m/s
T(ºC) en B
69º
3,0m/s
T(ºC) en B1
70º
3,9m/s
T(ºC) en C
76º
2,8m/s
T(ºC) en D
63º
4,2m/s
T(ºC) en E
227º
Promedio:
3,54m/s
T(ºC) en E1
85º
Área del flujo:
0,08548m2
T(ºC) en F
74º
Caudal aprox.:
0,302m3/s
T(ºC) en G
56º
Velocidad salida del filtro:
24m/s
T(ºC) en H
30º
TERMO 1
82º
TERMO 2
70,1º
TERMO 3
78º
TEMP. DEL FLUJO DE AIRE EN
LA ENTRADA:
26,5ºC
TEMP. DEL FLUJO DE AIRE EN
EL LADO REX:
88,1ºC
TEMP. DEL FLUJO DE AIRE EN
EL LADO WEX:
68,3ºC
TENSION EN LA WEX:
106VDC
Área aprox.:
0.0016m2
Caudal aprox.:
0,0384m3/s
TENSION EN LA REX:
---------
65
Tabla XVIII. TEMPERATURAS Y VELOCIDADES DE LOS FLUJOS DE AIRE CON 75% DE
OBSTRUCCIÓN.
GMA#:
20
T (ºC)
AMB.:
27º
V alta tensión(dc):
864VDC
Ient:
45,7ADC
Tiempo: 240min
VELOCIDAD DEL FLUJO DE AIRE EN LA
ENTRADA
TEMPERATURAS
T(ºC) en A
69º
2,5m/s
T(ºC) en B
77º
2,0m/s
T(ºC) en B1
78º
2,7m/s
T(ºC) en C
87º
2,4m/s
T(ºC) en D
72º
3,1m/s
T(ºC) en E
240º
Promedio:
2,54m/s
T(ºC) en E1
97º
Área del flujo:
0,08548m2
T(ºC) en F
96º
Caudal aprox.:
0,2171m3/s
T(ºC) en G
59º
Velocidad salida del filtro:
23,6m/s
T(ºC) en H
31º
TERMO 1
91º
TERMO 2
86º
TERMO 3
102º
TEMP. DEL FLUJO DE
AIRE EN LA ENTRADA:
26,4ºC
TEMP. DEL FLUJO DE
AIRE EN EL LADO REX:
107ºC
TEMP. DEL FLUJO DE
AIRE EN EL LADO WEX:
84ºC
TENSION EN LA WEX:
106VDC
Área aprox.:
0.0016m2
Caudal aprox.:
0,03776m3/s
TENSION EN LA REX:
---------
66
Tabla XIX. TEMPERATURAS Y VELOCIDADES DE LOS FLUJOS DE AIRE CON ~100% DE
OBSTRUCCIÓN.
GMA#:
20
T (ºC)
AMB.:
27º
V alta tensión(dc):
864VDC
Ient:
45,7ADC
Tiempo: 285min
VELOCIDAD DEL FLUJO DE AIRE EN LA
ENTRADA
TEMPERATURAS
T(ºC) en A
72º
0,4m/s
T(ºC) en B
82º
0,4m/s
T(ºC) en
B1
78º
0,4m/s
T(ºC) en C
88º
0,4m/s
T(ºC) en D
69º
0,4m/s
T(ºC) en E
233º
Promedio:
0,4m/s
T(ºC) en
E1
109º
Área del flujo:
0,08548m2
T(ºC) en F
89º
Caudal aprox.:
0,03419m3/s
T(ºC) en G
82º
Velocidad salida del filtro:
10,3m/s
T(ºC) en H
47º
TERMO 1
97º
TERMO 2
97,3º
TERMO 3
142º
TEMP. DEL FLUJO
DE AIRE EN LA
ENTRADA:
26,5ºC
TEMP. DEL FLUJO
DE AIRE EN EL
LADO REX:
42ºC
TEMP. DEL FLUJO
DE AIRE EN EL
LADO WEX:
53,4ºC
TENSION EN LA
WEX:
106VDC
Área aprox.:
0.0016m2
Caudal aprox.:
0,01648m3/s
TENSION EN LA
REX:
---------
67
Capítulo 7: ANÁLISIS DE RESULTADOS
Los resultados obtenidos de las mediciones realizadas en sitio muestran que los grupos de
GMA de cada línea presentan un comportamiento térmico similar entre si (Ver gráfico Nº 1), a
pesar que estos equipos operan bajo condiciones distintas. Esto se debe a que la Línea 2 se
caracteriza por tener un tramo de operación comercial más prolongado y con secciones abiertas,
mientras que la Línea 3 tiene un tramo más corto y totalmente cerrado, lo que permite en el caso
de la Línea 2 un mayor intercambio de calor con el ambiente de los GMA que operan este tramo.
Esto lleva a pensar que el factor ambiental no es determinante en las temperaturas alcanzadas por
estos equipos, sin embargo es lógico esperar un incremento de las mismas en los tramos de la
línea que son totalmente cerrados. Este comportamiento se evidencia en el gráfico Nº 2, el cual
muestra que el promedio de las temperaturas alcanzadas en los puntos A, B, C, D, E, E1, F, G y
H en los GMA de Línea 3 son mayores que los de la Línea 2.
Temperaturas(º C)
Temperaturas
Curvas Promedio de las Tempraturas
de los GMA
de 2da generación de Línea 2 y Línea 3
250
225
200
175
150
125
100
75
50
25
0
E
A
B
C
D
E1
F
G
H
Promedio de las Temperaturas de los GMA de línea 3
Promedio de las Temperaturas de los GMA de línea 2
Gráfico Nº 1
En cuanto a la temperaturas puntuales en los GMA, se puede observar que el punto de
mayor temperatura es el E (Ver gráfico 2), mientras que el resto de los puntos presentan valores
68
de temperatura similares entre si. Esto refleja un comportamiento singular de dicho punto con
respecto al resto, implicando que efectivamente existe una fuente de calor en la región en la que
éste se encuentra y que incide en el comportamiento térmico intrínsico del GMA. Dicha fuente de
calor se atribuye al conjunto de cinco (5) resistencias pertenecientes a la REX, las cuales son de
una potencia nominal de 3 kW y cuyo valor de es de 180 Ω.
Temperaturas(ºC)
Promedio de las Temperaturas de los GMA de 2da
Generación Línea 2 y Línea 3
250
225
200
175
150
125
100
75
50
25
0
A
B
C
D
E
E1
F
G
H
Promedio de las Temperaturas de los GMA de línea 3
Promedio de las Temperaturas de los GMA de línea 2
Gráfico Nº 2
También se puede observa que la temperatura del punto E es mayor en Línea 2 que en
Línea 3, esto se debe a que el voltaje de alimentación de los GMA de dicha línea es mayor, lo que
produce un aumento en la corriente que circula por la REX y la potencia disipada por ésta. Por lo
que, podría pensarse que el voltaje de alimentación si es un factor determinante en el
calentamiento del equipo.
Este comportamiento en las temperaturas depende de las pérdidas y de las impedancias
térmicas, se explica a través de la Ley de Ohnm, la cual expresa que la potencia consumida por
una resistencia es igual al cuadrado de la tensión dividida entre su magnitud:
69
P =
V 2
R
Por lo que, un aumento en el valor de la tensión de alimentación, V, incide notablemente
en la potencia, P, consumida por la resistencia, R, y en consecuencia en el calor disipado por ella.
Esto se evidencia en los gráficos Nº 3 y Nº 4 de Voltaje de entrada vs. Temperatura, en los que
se aprecia como el crecimiento del voltaje de entrada del GMA se traduce en un aumento notable
en la temperatura del punto E, perteneciente a la REX.
260
255
250
245
240
235
230
225
220
215
822
824
826
828
830
832
834
836
Voltajes
Gráfico Nº 3
Temperatura en el punto E vs. Voltaje de entrada
(Línea 3)
230
Temperaturas(°C)
Temperaturas(°C)
Temperatura en el punto E vs. Voltaje de entrada
(Línea 2)
225
220
215
210
205
759
760
761
762
763
764
Voltajes
Gráfico Nº 4
765
766
767
768
70
El calor irradiado por este grupo de resistencias produce el aumento de las temperaturas
en los puntos cercanos a ésta, por ello el segundo punto más caliente en el GMA es el E1 (Ver
gráfico 2), con valores de temperatura que oscilan entre los 67 °C y los 97 °C .
Por otro lado, el punto de menor temperatura en el equipo es el H (Ver gráfico 2), el cual
se encuentra en la entrada de aire del GMA. Este punto es el menos caliente debido a que en esa
zona existe un flujo de aire continuo que lo mantiene refrigerado, y además, éste se encuentra
más alejado de la fuente de emisión de calor, la resistencia REX.
También se pudo observar que el lado más caliente del GMA es en el que está alojado el
grupo de resistencias de la REX, esto se evidencia al observar que las temperaturas registradas
del punto C son mayores a las del punto D (Ver gráfico 2). El resto de los puntos (A, B y G)
tienen temperaturas entre los 50 °C y los 80 °C, y su calentamiento depende en mayor medida al
conjunto de máquinas eléctricas que componen al equipo y que están ubicadas en esas zonas. Sin
embargo la REX contribuye al calentamiento de estos puntos por ser una fuente de calor ubicada
dentro del equipo, pero lo hace en menor medida que en los puntos E y E1 por la distancia que la
separa de los anteriores.
De las mediciones repetidas a un mismo tren en un espacio de dos (2) horas, se pudo
observar un incremento en las temperaturas globales y en la corriente de entrada, manifestándose
una relación directamente proporcional entre temperatura y corriente. Sin embargo el incremento
no fue importante, ya que este no superó en el mejor de los casos el 6% del valor inicialmente
registrado, lo que también valida el tiempo considerado inicialmente para la estabilización de las
temperaturas.
Otro elemento observado durante las mediciones, fue que el aire de entrada al GMA
estaba precalentado, ya que proviene en parte de los ventiladores de aire acondicionado y luego
71
pasa por el compresor neumático. Este elemento a pesar de no ser una causa de
sobrecalentamiento si lo favorece.
La temperatura registrada en las adyacencias del compresor neumático y en la salida del
aire acondicionado fue de 40 °C – 45 °C, por lo que se presume que el aire que entra al GMA se
encuentra inicialmente a una temperatura cercana a éstas.
Del gráfico Nº 5 y Nº 6 se puede observar que las tensiones de alimentación de los GMA
de ambas líneas tienen un comportamiento con leves fluctuaciones y que los valores más altos
registrados pertenecen a Línea 2.
Perfil de las tensiones de alimentación de los
GMA de Línea 2
Voltajes DC
840
834
828
822
Gráfico Nº 5
72
Perfil de tensiones de alimentación de los GMA de
Línea 3
Voltajes
774
768
762
756
Gráfico Nº 6
En el gráfico Nº 7 y Nº 8 pertenecientes a la corriente de entrada al GMA, se observa que
el comportamiento de dichas corrientes no es constante, ya que se aprecian notables fluctuaciones
en su magnitud. Esto refleja que la corriente de entrada al GMA es muy variante entre equipos de
un mismo tren, debido a que éste maneja diversas cargas que pueden estar o no en
funcionamiento, como el aire acondicionado, o que por el contrario, este puede asumir cargas de
otros GMA fuera de servicio de un mismo tren. No obstante, estos valores se encuentran dentro
de lo esperado según el historial de mediciones realizadas en el banco de prueba en el taller de
motores eléctricos de Patio I de Propatria y por las especificaciones del fabricante, las cuales bajo
condiciones normales de funcionamiento y carga, se encuentran entre los 50 amp y los 140 amp.
73
Perfil de las corrienetes
corrientes de entrada de los GMA de
Línea 2
90
80
Corrientes DC
70
60
50
40
30
20
10
0
Gráfico Nº 7
Perfil de las corrientes de entrada de los GMA de
Línea 3
120
Corrientes DC
100
80
60
40
20
0
Gráfico Nº 8
74
Los datos obtenidos de las simulaciones realizadas en el banco de prueba revelan que a
mayor nivel de obstrucción de la entrada de aire del GMA, mayores son las temperaturas
alcanzadas por éste (Ver gráfico Nº 9 y Nº 10). Esto significa que en condiciones de trabajo de
filtro sucio o tapado por partículas que impidan la libre circulación del aire para su refrigeración,
las temperaturas del GMA tenderán a elevarse de manera similar como ocurrió en este ensayo.
Temperaturas internas y externas vs. % de
obstrucción
Temperaturas (°C)
300
250
200
150
100
50
0
A
B
B1
C
D
E
E1
F
G
H
TERMO 1 TERMO 2 TERMO 3
ptos.
0%(60 min)
25% (120 min)
50%(180 min)
75%(240 min)
~100%(285 min)
Gráfico Nº 9
Temperaturas internas y externas vs. % de
obstrucción
Temperaturas (°C)
300
250
200
150
100
50
0
0
2
4
6
8
10
12
14
ptos.
0 %(60 min)
25%(120 min)
50%(18 0 min)
75%(240 min)
~100%(285 min)
Gráfico Nº 10
También se pudo observar que, hubo un descenso importante en el caudal de aire de
entrada y de salida del equipo a medida en que se obstruía la entrada de ventilación (Ver gráfico
75
Nº 11 y N° 12). Esto se traduce en un menor flujo de aire circulando dentro de la máquina para su
enfriamiento, trayendo como consecuencia el descenso de su capacidad de refrigeración y por
tanto un incremento de las temperaturas globales del equipo. Esto se manifiesta de manera
notable en el punto A, el cual inicialmente se encuentra a una temperatura de 48 ºC y para una
obstrucción del 75% del área de entrada de ventilación, este alcanza una temperatura de 61 ºC,
significando un incremento del 27% en su temperatura inicial. En este caso se observa claramente
la relación que tiene la obstrucción de la entrada de aire del GMA con el incremento en sus
temperaturas globales.
Caudal[m3/s]
Caudal vs % obstrucción
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
% obstrucción
0%(60 min)
25% (120 min)
50%(180 min)
Gráfico Nº 11
75%(240 min)
~100%(285 min)
76
Caudal[%]
Caudal porcentual vs % obstrucción
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
% obstrucción
0%(60 min)
25% (120 min)
50%(180 min)
75%(240 min)
~100%(285 min)
Gráfico Nº 12
En cuanto a los resultados de las imágenes térmicas registradas del GMA Nº 34, se puede
observar que las correspondientes a cero (0) por ciento de obstrucción de la entrada de aire,
presentan una distribución de temperatura en la carcasa del equipo similar a las encontradas en
las mediciones realizadas con el pirómetro, y que además las encontradas en el lado de la REX y
de la WEX son similares a las registradas por las termocuplas que se colocaron internamente en
otros equipos. Por otro lado, los valores de temperatura encontrados internamente en las zonas
adyacentes a la REX se ubican en un rango que va desde los 76 ºC - 92 ºC, mientras que la REX
se ubica entre los 300 ºC - 360 ºC y en el caso del lado de la WEX las temperaturas oscilan entre
los 85 ºC - 114 ºC. Esto significa que bajo esta condición de operación, en el equipo no existen
problemas de sobre temperatura tanto externa como internamente. Este comportamiento se
mantiene en el GMA Nº 44 para la misma condición de operación de 33% de carga conectada y
cero (0) por ciento de obstrucción de la entrada de aire.
77
Por otro lado si se observan las imágenes térmicas de estos mismos equipos pero
operando bajo la condición de 75% de obstrucción de la entrada de aire y misma carga conectada,
se puede apreciar el incremento de las temperaturas globales de todos los puntos. Sin embargo,
externamente sobre la carcasa ningún valor de temperatura refleja que exista sobre temperatura
en algún punto de la máquina, pero si confirma los valores encontrados en ensayos similares, en
los que se empleo el pirómetro como instrumento de medición de temperatura en las mismas
zonas.
No obstante, las imágenes correspondientes a las zonas de la REX y de la WEX muestran
que hubo un incremento importante en las temperaturas de los elementos adyacentes a cada uno
de éstos. En el caso de la REX la temperatura de los elementos adyacentes se ubica entre 77 ºC 161 ºC, mientras que el rango de temperaturas de la REX cambia y se ubica entre los 325 ºC 405 ºC y en el caso de la WEX las temperaturas se encuentran entre los 109 ºC - 120 ºC. Estos
valores máximos encontrados evidencian posibles problemas de sobre temperatura en la máquina,
ya que el aislamiento de gran parte de sus devanados sólo soporta como máximo una temperatura
de 150 ºC y en algunas partes como el caso del inducido del motor y de la excitatriz que soportan
140 ºC y el colector del motor que soporta 105 ºC, los cuales podrían verse severamente
afectados si estos niveles de temperatura son alcanzados o superados durante la prestación de
servicio comercial, y peor aun si esta condición se hace permanente. Este comportamiento
también se mantiene en el GMA Nº 44.
La importancia de estos resultados radica en que si se comparan los datos encontrados en
los ensayos en el banco de prueba con los recabados en sitio se puede establecer una relación
entre el comportamiento de las temperaturas externas en la carcasa de los GMA y sus
temperaturas internas, y más importante aún en la zona en la que se encuentra ubicada la REX,
que es donde se pueden ver afectados directamente una mayor cantidad de elementos como los
78
devanados del motor y del alternador, la excitatriz, las cabezas de bobinas del estator del
alternador, los diodos del puente rectificador giratorio y la grasa del rodamiento ubicado del lado
de la estatodina, entre otros.
También estos resultados permiten establecer una relación entre las temperaturas
alcanzadas por el GMA y la disminución del caudal de aire de entrada al equipo. Dicha relación
se encontró de manera experimental a través de los ensayos realizados en el banco de prueba,
confirmando que bajo condiciones especificas de funcionamiento, es decir, una obstrucción del
75% de la entrada de aire del equipo, que es equivalente a una reducción del 40% en el caudal de
aire de entrada al GMA, con un 33% de la carga nominal conectada y transcurrida una hora de
funcionamiento, son condiciones suficientes para que la temperatura en zonas especificas del
equipo se incremente hasta alcanzar valores críticos que podrían poner en riesgo la vida útil del
mismo.
Este resultado hace posible establecer un criterio que permite estimar de manera
aproximada si un GMA en servicio comercial presenta problemas de sobre temperatura solo con
medir algunos puntos sobre la carcasa. Un punto que puede servir para tal fin es el E1
correspondiente al conector socape, el cual si se encuentra a una temperatura no mayor a los 75
ºC no habría problema de sobre temperatura, pero si este se encuentra por encima de los 110 ºC
entonces la máquina puede estar presentando problemas de sobre temperatura. En el rango de 76
ºC – 109 ºC no se podría asegurar si la máquina tiene problemas de sobre temperatura y por ende
se puede tomar como un rango umbral previo para la condición de sobre temperatura.
Otro aspecto que refleja los datos encontrados, es que el factor que influye notablemente
en el incremento de las temperaturas en el GMA es la caída del caudal de aire de entrada al
equipo, y este a su vez depende del nivel de obstrucción presente en el filtro de aire, el cual se
puede apreciar en la siguiente imagen:
79
Foto 24. Filtro de aire del sistema de ventilación VORTEX del GMA de segunda generación, limpio.
En esta imagen se puede ver como el filtro esta constituido por una lamina metálica con
pequeñas perforaciones distribuidas de manera radial sobre el mismo. El radio de estas
perforaciones es 0.5 cm y el área equivalente del filtro representa aproximadamente el 60% del
área total de la admisión de aire de la máquina.
Inspecciones realizadas en máquinas provenientes de trenes que prestaron servicio
comercial, demostraron que este filtro es capaz de acumular una cantidad importante de sucio
proveniente de los túneles, constituido por polvo, partículas metálicas, entre otros elementos, y
que debido a la humedad y a otros factores hacen que éste se convierta en una especie de fieltro
que cubre los orificios del filtro obstruyéndolo progresivamente hasta alcanzar un 60% o más de
su área total. Las imágenes mostradas a continuación permiten apreciar el nivel de sucio
acumulado por estos filtros.
80
Foto 25. Filtro de aire del sistema de ventilación VORTEX del GMA de segunda generación, parcialmente
obstruido.
Foto 26.Filtro de aire del sistema de ventilación VORTEX del GMA de segunda generación, parcialmente
obstruido.
Por otro lado, el tiempo de servicio de estas máquinas varia de una a otra, el cual es
estimado a través de los kilómetros de recorrido realizados por el tren con ese equipo instalado.
Esta cantidad de kilómetros guarda una relación proporcional con el tiempo de servicio del
equipo, y se determina a través de formulas propias de la empresa.
En la siguiente tabla se muestra el número de los GMA medidos en sitio y su respectivo
kilometraje acumulado hasta el momento en que se realizaron las mediciones de temperatura.
81
Tabla XX. Kilometraje acumulado de los GMA medidos en sitio.
GRUPO
1
2
3
GMA
067
33
062
064
11
15
12
18
22
63
41
08
69
31
21
075
59
47
30
19
50
Km
324.075
336.908
352.136
102.503
132.210
147.399
163.290
8.424
14.514
24.508
26.795
29.999
32.683
34.151
34.151
39.970
45.025
45.025
51.761
52.427
60.090
LINEA
3
2
3
3
3
2
2
2
2
2
3
3
2
3
3
2
3
3
3
2
3
TREN
08
27
06
03
08
28
25
26
26
23
07
01
23
04
04
27
06
06
08
27
03
VAGON
33022
31034
33016
31017
33020
31038
31026
31036
33024
33002
31029
31014
33009
33014
31019
33025
31024
33015
31030
33026
33029
En esta tabla se puede observar que existen tres grupos de GMA bien diferenciados por su
kilometraje acumulado, esto permite identificar fácilmente las diferencias de temperatura
encontradas en los GMA medidos en sitio, incluso haciendo distinción de la Línea comercial. En
los gráficos Nº 13 y Nº 14, se puede observar el comportamiento térmico de estos equipos en
función del kilometraje, el cual guarda relación directa con la cantidad de sucio acumulado en los
filtros de aire del equipo.
82
Temperatura de los GMA de 2da Generación vs. El
Kilometraje Acumulado(Línea 2)
Temperatura(ºC)
300
250
200
336.908Km
150
147.399Km
100
24.508Km
50
0
A
B
C
D
E
E1
F
G
H
Puntos
Gráfico Nº 13
Temperatura de los GMA de 2da Generación vs. El
Kilometraje Acumulado(Línea 3)
Temperatura(ºC)
250
200
324.075Km
150
102.503Km
100
26.795Km
50
0
A
B
C
D
E
E1
F
G
H
Puntos
Gráfico Nº 14
Se puede observar que las curvas de ambas Líneas Comerciales presentan un
comportamiento similar, sin embargo se nota una diferencia entre ellas, vinculada directamente a
que, a mayor kilometraje mayor es la temperatura de las máquinas.
El punto E para ambos casos muestra el valor más alto de temperatura, resaltando que éste
pertenece a una región de difícil acceso y en donde las temperaturas son muy cambiantes; la
83
dificultad de acceso está determinada por el haz de luz del pirómetro, el cual debe pasar a través
de la rejilla metálica que cubre a la REX y esta rejilla no puede ser retirada ya que esto afectaría
el ensayo en si, porque se estaría cometiendo un error sistemático en el mismo. Por esta razón, se
presentan los mismos gráficos pero ahora excluyen el punto E de estos, tal y como se aprecia a
continuación:
Temperatura de los GMA de 2da Generación vs. El
Kilometraje Acumulado(Línea 2)
Temperatura(ºC)
100
80
336.908Km
60
147.399Km
40
24.508Km
20
0
A
B
C
D
E1
F
G
H
Puntos
Gráfico Nº 15
Temperatura de los GMA de 2da Generación vs. El
Kilometraje Acumulado(Línea 3)
Temperatura(ºC)
120
100
80
324.075Km
60
102.503Km
40
26.795Km
20
0
A
B
C
D
E1
F
Puntos
Gráfico Nº 16
G
H
84
En estos gráficos se puede constatar como a mayor kilometraje acumulado mayores son
las temperaturas globales alcanzas por el GMA, esto se debe solo a un factor, el sucio acumulado
en los filtros, ya que si estos equipos operan a paridad de condiciones de tensión y condiciones
ambientales casi invariantes en cada Línea comercial, entonces el único factor que se puede
discriminar sería el sucio atrapado en los filtros a través de kilometraje acumulado. La corriente
de carga no se toma en cuenta para determinar si el equipo se sobre calienta por sobre carga,
debido a que este equipo no alcanzó en ninguna de las mediciones de los ensayos realizados
valores de corriente de carga de entrada superior a la nominal.
Incluso se puede observar que en el caso del grafico correspondiente al grupo de GMA de
Línea 3 (gráfico Nº 16) que el punto E1 del GMA con 324.000 Km, se encuentra cercano a los
100 ºC, mientras que la temperatura del mismo punto de los otros GMA con menor kilometraje
acumulado no supera los 80 ºC, mostrando que el GMA con 324.000 Km. acumulados, tiene
posibles problemas de sobre temperatura, que el GMA con 102.000 Km. Acumulados, el cual se
encuentra dentro de la zona umbral y el que tiene 26.000 Km acumulados probablemente no tiene
problemas de sobre temperatura, debido a que su temperatura es menor a 80 ºC, todo esto según
con el criterio establecido anteriormente para determinar si estas máquinas presentan o no sobre
temperatura. En el caso de del grupo de GMA de Línea 2 el comportamiento es similar a lo
descrito anteriormente, aunque sus valores de temperatura son menores.
Estos resultados confirman todo lo expuesto anteriormente acerca de la relación que tiene
el kilometraje acumulado con el nivel de sucio de los filtros, traducido en un menor caudal de
aire de entrada al equipo y por ende en un incremento en las temperaturas globales del equipo.
85
Capítulo 8: PROPUESTAS
Para lograr controlar las temperaturas alcanzadas por el GMA, existen diversas soluciones
técnicas, entre las que resaltan la modificación o mejora del sistema de refrigeración de la
máquina, la eliminación o redistribución de las fuentes térmicas susceptibles a tales cambios o la
sustitución total del convertidor presente por uno más eficiente, todas estas propuestas forman
parte del abanico de posibles cambios o mejoras que pudieran hacerse en la maquina, que van de
las más simple y económica a la más radical y costosa. Las propuestas técnicas presentadas a la
empresa fueron las siguientes:
1) No hacer ningún cambio o modificación en el GMA y sólo mejorar la rutina de
mantenimiento del sistema de ventilación del equipo, con lo que se garantizaría que el
caudal de aire estuviese cercano a su valor nominal, permitiendo la adecuada refrigeración
del equipo.
2) Colocar un revestimiento de un material aislante térmico, resistente a las temperaturas
previamente consideradas, en las paredes internas de la carcasa del GMA donde están
alojadas las resistencias de la REX y en las adyacencias que son afectadas por el calor
emitido por éstas. Dicho material sería colocado en las zonas que se muestran a
continuación:
86
Material aislante
Material aislante
Compartimiento de la REX
Material Aislante
Material aislante
Carcasa de la excitatriz
3) Redistribuir las resistencias que componen a la REX en el espacio disponible en la
carcasa de la excitatriz, con la finalidad de uniformizar el calor presente en la zona y
87
mejora la refrigeración de tales elementos. Esta solución podría venir acompañada por la
colocación de un material aislante térmico en las zonas en las que se ubiquen las
resistencias y/o en las que se ven afectadas por el calor emitido por éstas. Se propone una
distribución tal y como se muestra a continuación:
Distribución Actual
Distribución Propuesta
88
4) Rediseñar el ventilador del GMA, con el fin de aumentar el caudal de aire que lo
refrigera, de esta manera se disminuiría el efecto térmico de la REX en el equipo.
5) Reemplazar la REX por un convertidor electrónico DC-DC (Chopper) retroalimentado en
corriente, con la capacidad de proporcionar la corriente nominal y máxima (5,8AmpDC13,7AmpDC) requerida por la inductancia shunt de campo del motor dc y que sea capaz
de trabajar a las tensiones de operación del equipo (450VDC-950VDC), e inclusive hasta
los 1000VDC. Tal dispositivo tendría la siguiente configuración:
Fig. 2 Convertidor DC-DC
Esquemático original del circuito de control del motor dc. En este plano se puede apreciar
la REX denominada como REX1.
89
Fig.3 Esquemático del circuito de control original
Esquemáticamente este convertidor estaría ubicado en el lugar de la REX, tal y como se
muestra en la siguiente figura:
90
Fig. 4 Esquemático del circuito de control con el Chopper
6) Reubicar a la REX fuera del GMA en una zona del tren en la que el calor generado por
ésta no afecte a ningún otro equipo con todos los dispositivos de soporte, refrigeración,
control, protección y señalización necesarios para garantizar el correcto funcionamiento
del nuevo conjunto conformado por la REX y el GMA.
7) Reemplazar el GMA por un convertidor estático basado en tecnología de estado sólido
con las mismas características eléctricas de diseño de este equipo, en cuanto a potencia de
salida, voltajes de salida (208Vac y 78Vdc), frecuencia de salida (60Hz) y robustez
eléctrica.
91
Finalmente, la empresa acogió la primera propuesta, debido a su bajo costo de
implementación y a que ésta implica una mejora en el programa de mantenimiento preventivo
que se hace a estas en máquinas cuando el tren acumula 60.000Km de recorrido.
Este mantenimiento consistirá en la inspección y limpieza profunda del filtro del sistema
de ventilación, así como también, contempla la vigilancia de las temperaturas alcanzadas por
el GMA, para verificar los progresos de esta estrategia en el control de las temperaturas
alcanzadas por el mismo, para lo cual será aplicado el criterio de detección de sobre
temperaturas internas presentado y explicado en el capitulo de análisis de resultado.
92
Capítulo 9: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones:
Los resultados de este estudio reflejaron que, bajo condiciones nominales de
funcionamiento y filtro de aire limpio, el GMA no se sobrecalienta.
El sobre calentamiento del GMA se debe a dos factores: el calor irradiado por la REX y la
disminución en el caudal de aire de entrada.
Los ensayos realizados en el banco de pruebas, revelaron que un descenso del 40% en el
caudal de aire de entrada al GMA, es condición suficiente para un aumento en las
temperaturas internas en zonas específicas del mismo, que pueden sobre pasar los límites
establecidos por fabricante.
La REX es la fuente térmica más impórtate dentro de la máquina, ya que durante su
operación mantiene una temperatura constante de 400 ºC.
La tensión de alimentación incide directamente sobre la temperatura alcanzada por la
REX.
El calor irradiado por la REX es capaz de incrementar la temperatura de los diodos de la
excitatriz, del rodamiento del lado de la Estatodina y del aislamiento de los devanados de
las máquinas cercanas a la misma.
Por convección, la REX contribuye al incremento de la temperatura de la WEX.
El filtro de aire del sistema de ventilación puede llegar a acumular una cantidad
importante de sucio, el cual puede obstruir hasta un 60% de su área efectiva.
El mantenimiento aplicado actualmente a los filtros resulta ineficaz, ya que sólo es
retirado el sucio de una pequeña área de su parte inferior y no se logra su limpieza total.
93
El filtro de aire debe mantenerse totalmente libre de obstrucción, para evitar el sobre
calentamiento del GMA.
Finalmente, se concluye que el GMA tiene ciertas deficiencias en su diseño, debido a que
posee internamente una fuente térmica que contribuye al incremento de su temperatura y a la de
algunos elementos internos, y que bajo la condición de filtro parcialmente obstruido, las mismas
pueden llegar a sobrepasar los valores máximos establecidos por el fabricante. Por ello, se debe
preservar en buen estado el filtro de ventilación para garantizar un caudal de aire adecuado que
pueda mantener las temperaturas del equipo dentro de valores técnicamente aceptables,
lográndose por esta vía, la prolongación de su vida útil y la reducción de la frecuencia de fallas
debidas al sobrecalentamiento de elementos internos, entendiéndose por éstas: el secamiento y/o
cristalización de la grasa del rodamiento de la excitatriz, el daño de los diodos del puente
rectificador de la excitatriz, el daño del conector socape, entre otras.
94
Recomendaciones:
Hacer más eficaz el procedimiento de limpieza del filtro de aire
Reducir los lapsos para la limpieza del filtro.
Incluir en la rutina de mantenimiento preventivo, el registro de las temperaturas
alcanzadas por el GMA.
Ejecutar labores de limpieza de los túneles, con el fin de retirara el sucio que pudiera
acumularse en el filtro.
Revestir con un material aislante térmico los conductores que se encuentran expuestos a
altas temperaturas.
Aumentar la capacidad de refrigeración de los dispositivos semiconductores.
Implementar una grasa con mayor aguante térmico.
Mantener al día los datos obtenidos en este estudio.
95
BIBLIOGRAFÍA
Libros.
[1] ALLER C., José M
“La Máquina de Inducción”
Universidad Simón Bolívar. Caracas. Venezuela. 1994
[2] ALLER C., José M
“Introducción a la Teoría General de la Máquina Eléctricas Rotativas”
Universidad Simón Bolívar. Caracas. Venezuela. 1997
[3] JOHN W., Motto
“Introduction to Solid State Power Electronics”
Pennsylvania. USA. 1977
[4] McADANMS, William
“Heat Transmision”
New York. McGraw-Hill. 1954
[5] CARLOS A. Echeverria
“Análisis del Comportamiento térmico de Motores de Inducción Trifásicos Rotor Jaula de
Ardilla”
Caracas. Venezuela. 1997
[6] Gotter, Gottfried.
“Calentamiento y refrigeración de las Máquinas Eléctricas”
Buenos Aires. Argentina. 1951
Normas.
[7] Internacional Standard of Internacional Electrotechnical Comisión.Ninth edition.
“IEC 34-1. Rotating electrical machines, Part 1: Rating and performance”
1994-03
96
Anexos
97
Secuencia de arranque automático del convertidor.
La orden de arranque y funcionamiento del GMA se hace por medio de la presencia de la
tensión de batería. Este potencial tiene un valor que se sitúa entre 55 y 85Vcc (valor nominal:
78Vcc).
El GMA arrancará 3 segundos después de la presencia de la tensión de batería por medio
de la acción del relé temporizado STR, que tiene por función permitir una medida de impedancia
de línea (medida independiente del funcionamiento del convertidor giratorio, pero necesaria en el
marco de la puesta en servicio del material rodante). Este funcionará durante el mismo tiempo
que la tensión de batería sea aplicada, su anulación provoca la parada inmediata del convertidor
que no puede volver a funcionar sino después de una secuencia completa de arranque.
El inicio de la puesta en servicio del GMA consiste en aplicar la tensión de línea al motor
por medio de una resistencia llamada de “arranque” que tiene por finalidad limitar la corriente
de inducido.
Para iniciar el arranque, el equipo debe satisfacer las siguientes condiciones:
•
El fusible (MF) de protección de alimentación del motor debe estar bueno.
•
La tensión de línea debe estar presente y comprendida entre los valores extremos de
operación de 450 a 950Vcc.
•
Las diferentes protecciones deben estar en posición reposo.
•
El contactor de corto circuito de la resistencia de arranque debe estar abierto.
La tensión de batería por medio del contacto del relé STR, llega sobre la bobina del contactor MC
de alimentación del grupo, provocando el arranque del mismo.
•
Primer tiempo de puesta en servicio del GMA
98
Consiste en cortocircuitar la resistencia de arranque, de poner en acción la regulación de
velocidad del motor, así como la permutación del circuito de sobreexcitación del alternador por
su regulación de tensión. El primer tiempo comienza al cierre del relé temporizado FSSR.
Este relé es alimentado por medio de un contacto auxiliar del contactor MC y su temporización es
de 7,5 segundos, no arranca sino al cierre de éste.
•
Segundo tiempo de puesta en servicio del GMA
Consiste en interrumpir el proceso de arranque en caso que no cierre el contactor MSC y de una
mala estabilización en la velocidad o en la tensión de línea.
El desenrrojamiento de estas diversas señalizaciones de falla se hace por la activación del relé
SSSR, el mismo temporizado a 2 segundos a partir de la activación del relé FSSR.
La activación del relé ALOK confirma la alimentación de las tarjetas electrónicas.
•
Tercer tiempo de puesta en servicio del GMA
Consiste en autorizar la conexión del alternador con el cierre del contactor AC (para la
alimentación de las cargas auxiliares del vagón), por medio de un contacto del relé TSSR fijado a
una temporización de 200ms, esta duración permite la ejecución de una eventual señalización de
falla.
La duración total de este proceso es de 13 segundos máximo.
Los relés utilizados para realizar la secuencia de arranque es de tecnología hermético
nitrogenado, estos son implantados sobre un circuito impreso en el cual las soldaduras de los
pines aseguran los enlaces eléctricos y el atornillado de las cajas a su fijación mecánica. Los
enlaces eléctricos de entrada y salida de la tarjeta de relés (llamada RS), se realizan por medio de
terminales de 6.35mm.
99
Protección del motor a corriente continua.
El sistema de protección del motor comprende:
•
Un fusible para la alta tensión de fusión ultra rápida, denominado MF.
•
Un diodo antiretorno que impide al GMA de descargar en la línea, denominado MIPD.
•
Un relé centrífugo de sobrevelocidad ajustado a 2.500rpm, denominado MOSP.
La apertura del fusible o del relé centrífugo conlleva a la parada completa del convertidor
giratorio.
Vigilancia de la alta tensión de línea (platina HVPS).
La platina HVPS es la encargada de autorizar el arranque y la parada del GMA
dependiendo de las condiciones de la tensión de línea, la vigilancia de la tensión tiene por
función:
•
Autoriza el arranque del GMA 3 segundos después de la presencia de la tensión de batería
para la preparación del tren, si la tensión de línea está en el rango de 450 y 950Vcc.
•
Autoriza el arranque del GMA 3 segundos después del retorno de la tensión de línea en el
rango de 450 y 950Vcc, estando el tren preparado.
•
Detiene al GMA cuando la tensión de línea decrezca a una razón ≤ 600V/seg, en un
intervalo de 200V.
•
Abrir el relé LVD destinado a desconectar las cargas prioritarias (compresor neumático y
unidades de aire acondicionado) cuando la tensión de línea sea inferior a 600Vcc, el cierre se
obtiene por un retorno de tensión, superior a los 630Vcc. La operación de este relé no es
temporizada.
100
Vigilancia del suministro trifásico1 (tensión, frecuencia y corriente).
Este equipo controla tres parámetros:
•
El valor de la tensión trifásica a la salida del alternador.
•
La frecuencia a la salida de la estatodina.
•
La corriente a la salida del alternador.
La detección de un sobrepaso de nivel de uno de estos tiene por efecto detener el GMA
por medio de la activación de una protección predeterminada, ésta no puede ser rearmada sino
por una intervención manual en el cofre de regulación.
Control de la frecuencia (estatodina).
Se encarga de la vigilancia de la frecuencia de salida de la estatodina por medio de la
protección OFPM ó UFPM, bajo el dominio siguiente (figura 7):
360Hz -7%, (UFPM) sea:
335Hz (±3) en valores decrecientes después de un tiempo de 8seg (±1)
360Hz +7%, (OFPM) sea:
386Hz (±4) en valores crecientes después de un tiempo de 8seg (±1)
101
Control de corriente en la salida del alternador.
La protección ACPM se activa 3 segundos (±0,5) después de un sobrepaso del nivel de
30Amp (±1) del desequilibrio de corriente entre fase.
En caso de sobreintensidad en una de las fases, la protección ACPM se activa 10 segundos (±2) a
240Amp e instantáneamente (< 0,1seg.) a 500Amp.
Vigilancia del suministro de baja tensión.
Este equipo controla 3 parámetros:
•
La corriente de excitación del eje de batería de la estatodina (CBB).
•
La corriente de excitación del eje de excitación de la estatodina y de la excitación del
alternador (CBE).
•
La corriente de carga de batería (CBC).
Control de corriente de excitación del eje de batería.
Todas las fallas del cargador de batería, que tienen por efecto aumentar anormalmente la
corriente de excitación de los inductores correspondientes, provocan la activación de la
protección CBB deteniendo al GMA. El rearmado de ésta necesita una intervención manual en el
cofre de regulación.
Control de corriente de excitación del eje de excitación de la estatodina y la excitación del
alternador.
Todas las fallas del regulador de velocidad del motor y tensión del alternador, que tienen
por efecto aumentar anormalmente la corriente de excitación de los correspondientes inductores,
provocan la activación de la protección CBE deteniendo al GMA. El rearmado de ésta necesita
una intervención manual en el cofre de regulación.
102
Control de corriente de carga de batería.
Cuando la corriente de carga de batería sea superior a 20Amp (±1Amp), el generador de
corriente de baja tensión es aislada instantáneamente de la batería por la protección CBC,
deteniendo al GMA. El rearmado necesita una intervención manual en el cofre de regulación.
Disposición de construcción de los microdisyuntores
Los microdisyuntores utilizados para realizar estas protecciones son de tecnología
electrohidráuilica (idéntica de los que equipan los otros circuitos de baja tensión del Tren). Están
implantados sobre una platina llamada MCS (figura 8), su fijación es realizada por tornillos M3 y
los enlaces eléctricos por tornillos o terminales Faston según la corriente que circule por estos.
Regulación de velocidad del motor.
El sistema de regulación mantiene la velocidad del convertidor a 1800rpm ± 5%. Este
control se logra a través de la modulación de los amperes-vueltas de control en el arrollamiento
shunt del motor DC, para todos los puntos de operación de la máquina. De esta manera se logra
mantener una velocidad constante en el conjunto para cualquier condición de carga o de tensión
de suministro de la alta tensión, dentro de los rangos establecidos.
El campo de la maquina esta definido por una carga nula bajo la tensión mas alta de
línea (950V)
En caso de falla del regulador, la velocidad es limitada por la resistencia de excitación
REX1 que mantiene un campo minino en el motor en modo “fail-safe”.
La regulación es realizada por medio de una platina denominada TFR, que se encuentra
ubicada en el cofre de regulación (RMA) debajo del vagón.
El dispositivo de regulación de velocidad está constituida por (figura 9):
•
Una resistencia de excitación denominada REX1.
103
•
Un puente rectificador denominado WEX.
•
Un amplificador magnético (AMP1).
•
Un puente rectificador de excitación WXT1, en enlace con el inductor del eje de
excitación de la estatodina.
•
Una tarjeta electrónica denominada CI1.
La regulación de velocidad del GMA, consiste en aplicar en los bornes del arrollamiento
shunt (Sh) del motor; por medio del puente rectificador WEX, una tensión variable llamada
tensión de regulación.
Si el regulador está fallando, la velocidad es limitada por la resistencia de excitación
(REX1) que mantiene un campo mínimo en el motor en modo “fail-safe” (falla segura).
La tarjeta electrónica CI1 permite el paso de la corriente tratada por los amplificadores
magnéticos destinados; uno a la excitación del eje de la estatodina formando una corriente de
regulación de velocidad del GMA y el otro la corriente de la regulación de tensión del alternador.
Las funciones de la tarjeta electrónica CI1 son:
•
Estabilizar la alimentación a partir de la red trifásica (208Vac).
•
Comandar al amplificador magnético de regulación de velocidad a partir de una lectura de
frecuencia de la estatodina.
•
Comandar al amplificador magnético de la regulación de tensión del alternador.
Principio de funcionamiento.
El campo inductor del motor del GMA resulta de la superposición de dos tipos de
excitación:
•
Una excitación en serie ligada a la corriente de inducido del motor.
104
•
Una excitación shunt que es ajustada a cada instante por la platina de regulación, de
manera que la velocidad del motor esté dentro del intérvalo de tolerancia.
Esta última excitación es controlada por el amplificador magnético AMP1, suministrando
al inductor de la estatodina una corriente tomada en el eje de batería de ésta, rectificada por el
puente WXT1 y controlada por la tarjeta electrónica CI1.
La conducción del amplificador magnético está ligada a la frecuencia de la estatodina,
medida por un circuito analógico frecuencia–tensión. La imagen de la frecuencia es comparada
con un valor de referencia por un amplificador operacional que genera los amperes-vueltas de
control del amplificador magnético. Este conjunto funciona de la siguiente manera:
Los amperes-vueltas de control aumentan según crece la frecuencia, incrementando la
corriente de excitación en el inductor de la estatodina, provocando un aumento de la tensión en
los bornes del arrollamiento Sh y en la corriente del inductor del motor, en consecuencia, la
disminución de la velocidad y frecuencia de la estatodina.
Por el contrario, si una causa exterior disminuye la velocidad del GMA (baja de la tensión
de línea o acrecimiento de carga), provocará una disminución de los amperes-vueltas de control,
reduciendo la corriente de excitación en el inductor de la estatodina, así como la tensión aplicada
a los bornes del arrollamiento Sh, disminuyendo la corriente inductora del motor e
incrementando la velocidad y frecuencia de la estatodina.
Esta regulación ha sido estudiada para mantener la velocidad del grupo a 1800rpm ±5%
para las tensiones de línea comprendidas entre 450 y 950Vcc (450 y 600Vcc en la medida en que
la potencia requerida por el sistema se encuentre reducida a un valor autorizado).
Regulación de tensión del alternador.
105
La regulación de tensión tiene como función, mantener en los bornes del alternador una
tensión entre fase de 208Vac ±5%, mientras la carga de éste se sitúe entre 0 y 85 kVA.
Por otra parte, la regulación está especialmente adaptada a la resolución rápida de los
transitorios de tensión debido a las variaciones de cargas importantes, provocadas evidentemente,
por el arranque de las máquinas de inducción alimentadas por el alternador.
El dispositivo de regulación de tensión está constituida por (figura 11):
•
Un rectificador de excitación denominado WXT2
•
Un amplificador magnético AMP2
•
Una parte de la tarjeta electrónica CI1.
Principio de funcionamiento
La corriente de alimentación de la excitatriz es suministrada por el amplificador
magnético después de ser rectificada por el puente de excitación.
El valor de 208Vac ±5% es obtenido por un lazo cerrado de tensión que actúa sobre la
corriente de excitación. Este lazo está compuesto de un lector de tensión que suministra la
imagen del valor medio de las tensiones de las tres fases del alternador. Esta imagen es
comparada con un valor de referencia donde el desplazamiento produce la generación
inversamente proporcional de amperes-vueltas de control en el amplificador magnético.
La regulación de tensión funciona bajo las variaciones en régimen transitorio de la
frecuencia regulada del alternador. Esta variación transitoria de frecuencia es estimada a ±15%
durante 3 segundos para los casos de variaciones bruscos de tensión de línea o durante la puesta
en servicio de uno de los motores a inducción que constituyen la carga.
La regulación de tensión es concebida para funcionar en las condiciones normales en
régimen transitorio para una potencia pico igual a 175kVA, cosφ = 0,6.
106
Principio de Funcionamiento del Amplificador magnético
Es una aplicación particular de los reactores saturables, usados como válvulas de
regulables encierros circuitos de corriente alterna y cuya construcción u conexiones, en general,
está mostrada en la figura 1.
Fig. 5. Amplificador Magnético.
En su forma común hay dos núcleos magnéticos cerrados, sin entrehierros en los tamaños
pequeños. Cada uno cubierto con dos o más enrollamientos independientes, de las cuales el
principal, a y a’, está en el circuito donde se efectúa el consumo de energía, en serie con un
generador o transformador de corriente alterna, encargado de proporcionar la energía necesaria; y
el control, c y c’, que lleva una corriente continua regida por el mecanismo o dispositivo de
control. Los demás arrollamientos, si los hay, sirven para dar a los núcleos una excitación
básica, o para estabilización, o para limitar la operación, o aun para actuar como patrones frente a
c y c’.
Por ejemplo, si la corriente alterna pasa de izquierda a derecha en a y a’, los amper-vuelta de a’ y
c se suman, por actuar en el mismo sentido de circulación en el núcleo, mientras los de a’ y c se
107
restan, por ser opuesto; y si la corriente alterna pasa en sentido de derecha a izquierda, los ampervueltas de a’ y c’ se suman, y los de a y c, se restan. Luego, en cualquier instante hay un
devanado entre la fuente G y la carga M, que reacciona débilmente, y otro devanado que
reacciona fuertemente en contra del paso de la corriente de G y M; y como dichos devanados
están en paralelo, la oposición total será menor que la más débil de los dos, correspondiendo ésta
a la del devanado en cuyo circuito magnético el flujo tiende a aumentar, sin lograrlo
ampliamente, debido a la saturación. Cuando no hay corriente en c y c’, la variación de flujo es
simétrica en ambos núcleos, y se produce una F.E.M. inducida del valor del valor justo para
oponerse a la tensión de G, dejando pasar solamente la corriente de excitación de los dos
circuitos magnéticos en paralelo, pero como esta corriente es bastante pequeña, se puede decir
que la comunicación entre G y M esta interrumpida. De esta manera se puede variar la
impedancia en serie con la carga ajustando la corriente continua que circula por los devanados c
y c’ y se pueden controlar las grandes variaciones de la potencia suministrada a la carga mediante
pequeñas variaciones en la red de corriente continua. Si se rectifica ahora la corriente alterna de
carga, se puede considerar al conjunto como un amplificador de corriente continua.
Regulación de la carga de batería y generación de baja tensión.
La regulación de carga de batería tiene por objeto mantener en los bornes de salida del
cofre de regulación, una tensión de 78Vcc ±2%, así como de limitar a 17Amp ±1Amp la
corriente de carga de batería y por otra parte 115Amp ±5Amp la corriente total liberada por el
cargador.
Además, la tensión es filtrada en la salida del rectificador WBA para garantizar una tasa de
ondulación en los límites definidos.
Este dispositivo de regulación de carga de batería está constituido por (figura 12):
•
Dos shunts de medida de corriente (Sh1 y Sh2).
108
•
Una tarjeta electrónica CI3.
•
Un diodo de limitación DL
•
Un amplificador magnético y un rectificador de excitación implantados sobre la platina
TBR.
109
Tabla XXI.- Leyenda del sistema de regulación.
HT:
Alta tensión.
Fusible MF:
Fusible de activación ultra rápida de 315Amp.
HVPS:
Platina de vigilancia de la alta tensión.
Contactor MC:
Interruptor principal para alimentar al motor del GMA.
M:
Motor de corriente continua.
S:
Estatodina.
A:
Alternador.
E:
Excitatriz.
Protecciones:
Platina MCS que contienen los microdisyuntores.
Platina RS:
Platina que contienen los relés para la secuencia de arranque.
APS:
Platina de vigilancia de frecuencia, tensión y corriente en la salida del
alternador y la estatodina.
TBR:
Suministro
Platina encargada de la carga de batería y suministro de baja tensión.
de Red de 78Vcc que alimenta las luminarias, los circuitos de control y
baja tensión
los equipos de comunicación.
TFR:
Platina encargada de la regulación de velocidad y tensión trifásica.
Contactor AC:
Interruptor que pone en marcha las diversas cargas trifásicas.
Cargas
Estas cargas están comprendidas por: motores trifásicos, compresor
Trifásicas:
neumático y aire acondicionado.