DERECHOS RESERVADOS

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
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VA
DISEÑO DE UN TABLERO PARA EL CALENTAMIENTO DE ROTORES DE
GENERADORES SÍNCRONOS REPARADOS EN TURBOCARE, C.A.
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
PRESENTADO POR:
BR. IZEA R, ALEJANDRO A.
C.I. 19.307.487
BR. MONTERO L, RAINER J.
C.I 20.070.380
TUTOR ACADÉMICO
TUTOR INDUSTRIAL
__________________
__________________
Prof. Geryk Núñez
Ing. Eduardo Belloso
MARACAIBO, DICIEMBRE DE 2011
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HO
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S
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D
VA
DISEÑO DE UN TABLERO PARA EL CALENTAMIENTO DE ROTORES DE
GENERADORES SÍNCRONOS REPARADOS EN TURBOCARE, C.A.
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
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VA
DISEÑO DE UN TABLERO PARA EL CALENTAMIENTO DE ROTORES DE
GENERADORES SÍNCRONOS REPARADOS EN TURBOCARE, C.A.
TUTOR ACADÉMICO
TUTOR INDUSTRIAL
__________________
__________________
Prof. Geryk Núñez
Ing. Eduardo Belloso
III
DEDICATORIA
Ante todo, darle gracias a Dios por habernos permitido vivir esta
experiencia, ayudándonos a salir adelante en todo momento.
A nuestros padres, Alex Izea y Rainer Montero, por ser nuestros pilares y
nuestros mejores ejemplos a seguir; a nuestras madres Ana Reyes y Elisa León,
dos seres hermosos que nos han demostrado el verdadero significado de la
S
O
D
VA
palabra amor; a ellos les debemos todo, y sin los cuales nada sería igual, gracias
ER
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E
A nuestros abuelos, quienes
con
R palabras han sabido impulsarnos a
S
O
CHpor lo que queremos y sobre todo a aprender de la
continuar creciendo, a E
luchar
R
DE
vida.
por su esfuerzo, dedicación y apoyo, los amamos.
A nuestros hermanos Alberto, Maholys y Rainer E., quienes nos apoyaron
en la realización de este trabajo de investigación.
A nuestras familias, por siempre estar ahí para nosotros cuando más lo
necesitamos, brindándonos su apoyo y cariño.
A mi novia, quien ha estado junto a mí en las buenas y las malas,
bridándome su amor, su atención, paciencia y dedicación, gracias por estar a mi
lado (Alejandro).
A personas especiales, que en cuerpo no forman parte de mi vida pero que
fueron piezas fundamentales en mi camino, que me apoyaron y alentaron para
seguir adelante, por ello mi corazón siempre estará con ustedes (Rainer).
A nuestros amigos, quienes con sus palabras y ocurrencias, hicieron que
este recorrido estuviese lleno de alegrías y momentos especiales.
A ustedes, les dedicamos éste triunfo por que también es suyo.
IV
AGRADECIMIENTO
A la empresa TurboCare, C.A., por aceptarnos, y permitir la
realización de este trabajo especial de grado dentro de sus instalaciones.
A la Universidad Rafael Urdaneta, por ser la institución en donde se
concibieron nuestros conocimientos.
A los Ing. Eduardo Belloso y Juan García; por su dedicación a la hora de
S
O
D
VA
impartir sus conocimientos, por sus consejos y su compresión durante el
R
SE
E
R
S
desarrollo del proyecto.
HO
C
E
nuestro trabajo especial
DER de grado.
Al Prof. Geryk Núñez, por su asesoría brindada durante el desarrollo de
Al Prof. Claudio Bustos, por compartir sus experiencias y conocimientos, y
ser ejemplo de disciplina y responsabilidad.
A todos los profesores, en especial a la Prof. Nancy Mora, quien a lo largo
de nuestra carrera nos instruyó conocimientos; haciéndonos crecer, tanto como
persona como profesional.
A nuestra amiga Ing. Dayana Vargas, quien nos dio a conocer muchos de
los aspectos involucrados a las materias de nuestra carrera.
A nuestra amiga Ing. Gabriela Morales, por su aporte y comprensión en
cuanto al desarrollo de nuestra investigación.
A todas y cada una de las personas que de una u otra forma son parte de
este logro. Gracias.
V
INDICE GENERAL
Pág.
DEDICATORIAS
IV
AGRADECIMIENTOS
V
INDICE GENERAL
VI
RESUMEN
XVII
ABSTRACT
XVIII
INTRODUCCIÓN
A
RV
E
S
E
R
S
O
CH
E
R
E
CAPÍTULO I: EL PROBLEMA
DOS
D
XIX
21
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
22
2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
26
3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
26
3.1. OBJETIVO GENERAL
26
3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
26
4. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN
27
5. DELIMITACIÓN
28
5.1. DELIMITACIÓN ESPACIAL
28
5.2. DELIMITACIÓN TEMPORAL
28
5.3. DELIMITACIÓN CIENTÍFICA
28
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO
29
2.1. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA
29
VI
2.2 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
31
2.3. FUNDAMENTOS TEORICO
37
2.3.1. MÁQUINAS SINCRÓNICAS
38
2.3.1.1 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE GENERADORES
SÍNCRONOS
41
2.3.1.2. GENERALIDADES DEL DEVANADO ROTÓRICO
S
O
D
VA
43
2.3.1.3. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR
R
SE
E
R
S
HO
C
E
2.3.1.4. CURVAS
DER DE CAPACIDAD DEL GENERADOR
SINCRÓNICO
SINCRÓNICO
45
48
2.3.1.5. PLACA CARACTERISTICA DE LOS GENERADORES
SÍNCRONOS
51
2.3.1.6. OPERACIÓN DE CORTA DURACIÓN Y FACTOR DE
SERVICIO
53
2.3.2. INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
54
2.3.2.1.
TERMOPAR
54
2.3.2.2.
AMPERIMETRO
55
2.3.2.3.
MEGOHMETRO
56
2.3.2.4.
EL SENSOR
57
2.3.3 DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN Y CONTROL
2.3.3.1. EL CONTACTOR
61
61
VII
2.3.3.2. EL RELÉ
67
2.3.3.3. RELÉS POLARIZADOS
69
2.3.3.4. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Y TENSIÓN
70
2.3.3.2. PLC
76
2.3.4. MATERIALES AISLANTES
77
2.3.4.1. PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES
S
O
D
VA
AISLANTES
R
E
S
E
2.3.4.2. PROPIEDADES ELÉCTRICAS
R DE LOS MATERIALES
S
O
CH
E
R
AISLANTES
DE
78
79
2.3.4.3. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES AISLANTES
SEGÚN LA TEMPERATURA DE SERVICIO
79
2.3.4.4. TEMPERATURA LIMITE DE SERVICIO DE LOS
MATERIALES AISLANTES
81
2.3.5. MATERIALES DE IMPREGNACIÓN Y RECUBRIMIENTO
PARA BOBINADOS DE MAQUINAS ELÉCTRICAS
82
2.3.5.1. CONSTITUCIÓN DE LOS BARNICES AISLANTES
84
2.4
TERMINOLOGIA BÁSICA
85
2.5
OPERACIONALIZACIÓN DE LA VARIABLE
88
CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO
93
3.1 TIPO DEINVESTIGACIÓN
94
VIII
3.2 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
95
3.3 TÉCNICA DE RECOLECCIÓN DE DATOS
97
3.4 POBLACIÓN Y MUESTRA
100
3.5 FASES DE LA INVESTIGACIÓN
100
CAPÍTULO IV: ANÁLISIS DE RESULTADO
103
S
O
D
VA
4.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE REPARACIÓN DE
R
E
S
E
DEVANADOS ROTÓRICOS DE GENERADORES
SÍNCRONOS
R
S
O
CH C.A.
E
R
EJECUTADO ENTURBOCARE,
DE
104
4.2. DESCRIPCIÓN DE LOS PROCESOS DE MOLDEADO DE
DEVANADOS, CURADO DE RESINA Y SECADO DE DEVANADOS
111
4.3. METODOLOGÍA DEL PROCESO DE CALENTAMIENTO
OBSERVADO EN TURBOCARE, C.A.
113
4.4. REVISION DE NORMATIVA APLICABLE AL PROCESO DE
CALENTAMIENTO DE ROTORES
116
4.4.1. NORMATIVA UTILIZADAS EN MANTENIMIENTOS Y
PRUEBAS REALIZADAS A ROTORES DE GENERADORES POR
PARTE DE LA COMPAÑÍA PETRÓLEOS MEXICANOS, ABALADA
116
POR IEEE
4.4.2. IEEE STD. 112-1996 – PROCEDIMIENTO DE ENSAYO PARA
MOTORES DE INDUCCIÓN POLIFÁSICOS Y GENERADORES
IX
118
4.4.2.1. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA
118
4.4.3. IEEE STD. 1-1986 PRINCIPIOS GENERALES PARA LÍMITES
DE TEMPERATURA EN LA CALIFICACIÓN DE EQUIPOS
120
ELÉCTRICOS Y PARA LA EVALUACIÓN DE AISLAMIENTO
ELÉCTRICO
4.4.3.1. SELECCIÓN DE MÉTODO DE MEDICIÓN DE
TEMPERATURA
121
4.4.3.2. OBSERVACIÓN EN EL AUMENTO DE
TEMPERATURA
S
O
D
VA
SER
E
R
S
HO
120
4.5. DEFINICIÓN DE REQUERIMIENTOS QUE DEBE SATISFACER
EC
R
E
D
EL TABLERO PARA DESARROLLAR EL PROCESO DE
122
CALENTAMIENTO
4.5.1. REQUERIMIENTOS OPERATIVOS
122
4.5.2. REQUERIMIENTOS TÉCNICOS
124
4.6. SELECCIÓN DE EQUIPOS
126
4.7. DISEÑO CIRCUITAL DEL TABLERO
134
4.7.1. DIAGRÁMA CIRCUITAL BASE
134
4.7.2. DIAGRÁMA CIRCUITAL MODIFIDICADO
137
4.7.3. SELECCIÓN DE EQUIPOS COMPLEMENTARIOS
139
4.8. DISEÑO DEL GABINETE
144
4.8.1. SELECCIÓN DE MATERIALES DEL GABINETE
144
4.8.2. DISTRIBUCIÓN DE EQUIPOS EN EL GABINETE
149
X
4.9. DESARROLLO DEL SOFTWARE PARA MANEJO POR MEDIO
DEL PLC
154
4.9.1. DISTRIBUCION ENTRADAS – SALIDAS DEL PLC
154
4.9.2. PROTOCOLO DE CONTROL DE PROCESO
POR EL PLC
156
4.9.3. DESARROLLO DEL PROGRAMA
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
ANEXOS
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
BIBLIOGRAFÍAS
D
S
O
D
VA
158
163
164
165
169
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Tipos de sensores electrónicos
60
Tabla 2.2 Características de (Pm) y (Ie) de un contactor
Electromagnético
65
Tabla 2.3 Categoría de servicio del receptor de un contactor
Electromagnético
66
Tabla 2.4 Aplicaciones en función de la categoría de servicio de
los Contactores
67
Tabla 2.5 Equivalencias de funciones en el transformador de
Instrumento
71
XI
Tabla 2.6 Precisiones normalizadas en transformador de corriente
74
Tabla 2.7 Precisiones normalizadas en transformador de tensión
77
Tabla 2.8 Temperatura de los materiales aislantes
79
Tabla 2.9 Temperatura límite de servicio de los materiales aislantes
82
Tabla 2.10 Cuadro de Variables
89
Tabla 4.1 Valores sugeridos para monitoreo de aumento de
S
O
D
VA
Temperatura
R
E
S
E
Tabla 4.2 Corriente requerida para cadaR
tipo de Rotor de Generador
S
O
CHde calentamiento en TurboCare
E
R
Eléctrico para realizar
proceso
DE
122
Tabla 4.3 Amperímetros de Corriente Directa
126
Tabla 4.4 Transformadores de Corriente
128
Tabla 4.5 Megóhmetros Digitales
129
Tabla 4.6 Termocuplas Tipo T
130
Tabla 4.7 Máquinas de soldar por arco eléctrico
132
Tabla 4.8 Controladores Lógicos Programables
133
Tabla 4.9 Entradas Discretas Utilizadas en el PLC
155
Tabla 4.10 Salidas Discretas 1746-OBP16 Utilizadas en el PLC
155
Tabla 4.11 Salidas Discretas 1746-OA16 Utilizadas en el PLC
155
Tabla 4.12 Entradas Analógicas 4-20mA Utilizadas en el PLC
156
XII
123
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 2.1 Relación entre la tasa de giro de los campos magnéticos
de la máquina y la frecuencia eléctrica del estator
40
Ecuación 2.2 Tensión en una fase
46
Ecuación 2.3 Diferencia total entre EA y Vφ
47
Ecuación 2.4 Reactancia sincrónica de la máquina
S
O
D
VA
R
E
S
E
Ecuación 2.5 Ecuación final que describe
Ra Vφ
S
O
CH de potencia activa
E
R
Ecuación 2.6 Origen
del
diagrama
DE
Ecuación 2.7 Origen del diagrama de potencia reactiva
47
48
49
49
Ecuación 2.8 Longitud correspondiente a EA sobre el diagrama de
Potencia
50
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Estructura Organizativa
31
Figura 2.2 Tipos de Rotores de Generadores Síncronos
39
Figura 2.3 Rotor de Polo no Saliente
43
Figura 2.4 Circuito Sencillo de Generador Síncrono
47
Figura 2.5 Circuito Equivalente por fases
48
Figura 2.6 Derivación de la curva de capacidad de un Generador
XIII
Síncrono
49
Figura 2.7 Curva de capacidad del Generador
50
Figura 2.8 Placa característica de Máquinas Eléctricas
51
Figura 2.9 Megóhmetro
57
Figura 2.10 Contactor y Esquema del Contactor
62
Figura 2.11 Diagrama de Bloque de un Relé
68
Figura 2.12 Relé polarizado y Diagrama Esquemático
S
O
D
VA
R
E
S
E
Figura 4.1 Método de calentamiento porR
inducción y Extracción
S
O
CH
E
R
De Anillos de Retención
DE
70
Figura 4.2 Proceso de Extracción de devanados
105
Figura 4.3 Proceso de Limpieza y Moldeado manual
106
Figura 4.4 Proceso de remplazo de aislamiento de los devanados
106
Figura 4.5 Pieza ferromagnética Limpia y bajo pintura Anti-Flash
107
104
Figura 4.6 Proceso de Inserción de bobinas en sus ranuras con
sus aislantes respectivos
108
Figura 4.7 Compactación de Devanados
109
Figura 4.8 Aislamiento remplazado en cabezas de bobinas
109
Figura 4.9 Instalación de anillos de retención
110
Figura 4.10 Rotor reparado satisfactoriamente
111
Figura 4.11 Prensas de cabezas de bobinas
112
Figura 4.12 Aplicación de terminales sobre anillos colectores
113
XIV
Figura 4.13 Monitoreo del Operador
114
Figura 4.14 Periodo de disminución de temperatura controlada
115
Figura 4.15 Rotor adaptándose a temperatura ambiente
115
Figura 4.16 Amperímetro Análogo Vitel
127
Figura 4.17 Transformador de Corriente CIRCUTOR
129
Figura 4.18 Megóhmetro AEMC 5060
130
Figura 4.19 Termocupla EXEMYS PT100
HO
C
E
ER
D
R
SE
E
R
S
Figura 4.20 PLC SLC500 ALLEN BRADLEY
S
O
D
VA
131
133
Figura 4.21 Diagrama Circuital de la Máquina de Soldar MILLER
Dialarc
134
Figura 4.22 Diagrama Circuital de la Máquina de Soldar MILLER
Dialarc separados en bloques circuitales
135
Figura 4.23 Diagrama Circuital de la Máquina de Soldar MILLER
Dialarc modificado para el diseño del Tablero
138
Figura 4.24 HMI SIEMENS P1500 Basic
140
Figura 4.25 Contactor BTICINO FC4A6/230N
140
Figura 4.26 Modelo de tomacorriente BTICINO de 120v
141
Figura 4.27 Transmisor LTA-T 4-20 mA LOGIC Electronics
141
Figura 4.28 Relé de Panasonic RLAQE12112
142
Figura 4.29 Interruptor BTICINO Btdin 60-F82/63 y Btdin 60-F81/16
143
Figura 4.30 Materiales del Gabinete
144
Figura 4.31 Vista Frontal del Gabinete
145
XV
Figura 4.32 Vista Lateral del Gabinete
146
Figura 4.33 Vista Trasera del Gabinete
146
Figura 4.34 Distribución de Equipos Vista Frontal
151
Figura 4.35 Distribución de Equipos Vista Lateral
152
Figura 4.36 Distribución de Equipos Vista Trasera
153
Figura 4.37 Entradas y Salidas del PLC
154
Figura 4.38 Control del Corriente
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
156
Figura 4.39 Selección de modo y control de baja corriente en
el PLC
D
HO
C
E
ER
160
Figura 4.40 Medición de aislamiento y control de media corriente
en el PLC
161
Figura 4.41 Medición de aislamiento en el PLC luego del proceso
de curado
162
XVI
DISEÑO DE UN TABLERO PARA EL CALENTAMIENTO DE ROTORES DE
GENERADORES SÍNCRONOS REPARADOS EN TURBOCARE, C.A.
RESUMEN
Izea R, Alejandro A., Montero L., Rainer J.
Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniero Electricista. Facultad
de Ingeniería. Escuela de Eléctrica. Universidad Rafael Urdaneta. Maracaibo, Edo
Zulia. Venezuela. Diciembre 2011.
[email protected], [email protected]
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
Este trabajo tuvo como propósito el diseño de un tablero para el calentamiento de
rotores de generadores síncronos reparados en TurboCare, C.A., cuyos objetivos
están enmarcados en describir el proceso de reparación de los rotores, revisión de
la normativa vigente, determinación de los requerimientos tantos técnicos como
operativos, diseño del hardware y por último el desarrollo del software adecuado.
Esta investigación fue de tipo descriptiva; de diseño documental, no experimental,
de campo y transversal. La observación directa e indirecta, documental y
entrevistas estructuradas fueron las técnicas utilizadas para la obtención de la
información. Como resultados se obtuvo en principio la descripción general del
proceso de reparación del rotor, haciendo énfasis en la fase de calentamiento del
mismo, por otra parte se revisó la normativa vigente relacionada con dicho
proceso, para posteriormente determinar los requerimientos técnicos y operativos
y así ejecutar la selección de equipos necesarios para satisfacer el correcto
funcionamiento del diseño. Finalmente se diseñó el hardware capaz de alojar
distribuidamente los equipos seleccionados con anterioridad, para luego crear el
software apropiado que comandara el funcionamiento del tablero de manera
automatizada y sencilla. Con la implementación del diseño propuesto TurboCare,
C.A., pondría a su disposición un equipo automatizado capaz de reducir las horas
hombre y ofrecer a su clientela un proceso sumamente confiable mediante la
obtención de registros característicos del mismo.
HO
C
E
ER
D
Palabras claves: diseño, rotores, hardware, software, requerimientos.
XVII
DESIGN OF A BOARD FOR THE HEAT OF ROTOR SYNCHRONOUS
GENERATORS REPAIRED IN TURBOCARE, C.A.
ABSTRACT
Izea R, Alejandro A., Montero L., Rainer J.
Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniero Electricista. Facultad
de Ingeniería. Escuela de Eléctrica. Universidad Rafael Urdaneta. Maracaibo, Edo
Zulia. Venezuela. Diciembre 2011.
[email protected], [email protected]
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
This work was aimed to design a board for the heating of a synchronous generator
rotor repaired TurboCare, CA, the objectives are framed to describe the repair
process of the rotors, review of current regulations, determination of many
technical requirements as operational hardware design and finally the development
of appropriate software. This research was descriptive, has a documental, nonexperimental, field and transversal design. The direct and indirect observation,
documentary and structured interviews were the techniques used to obtain
information. As results obtained in the first instance were the general description of
the repair process of the rotor, with emphasis on the heating phase of it, on the
other hand was reviewing existing regulations pertaining to such proceedings in
order specify the technical and operational requirements and thus run the selection
of equipment needed to meet the proper functioning of the design. Finally the
hardware was designed capable of accommodating the selected equipment, and
then create the appropriate software to command the operation of the board and
easily automated. With the implementation of the proposed design TurboCare, CA,
would provide automated equipment capable of reducing man hours and offer your
customers a highly reliable process by obtaining records of the same
characteristic.
D
Key words: design, rotors, hardware, software, requirements
XVIII
INTRODUCCIÓN
Incrementar el nivel de competitividad y cumplir con las exigentes
necesidades del mercado actual, se logra únicamente a través del aumento en la
eficiencia de los procesos de producción.
En toda instalación industrial o comercial el uso de la energía eléctrica es
indispensable. La continuidad de servicio y la calidad de la energía consumida por
S
O
D
VA
los diferentes equipos, así como la requerida para la iluminación, son necesarias
para lograr mayor productividad.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
En TurboCare, C.A., actualmente se realizan los procesos de reparación de
D
los generadores síncronos con buenos resultados, sin embargo no existen medios
para corroborar con exactitud, si posterior a la reparación, el comportamiento del
rotor es adecuado; pues para ello se requiere ponerlo en marcha, en condiciones
similares a las de su trabajo habitual, exponiéndolo a corrientes que generen la
correspondiente elevación de temperatura. Esta comprobación se ejecuta en
niveles relativamente bajos de corriente, que no son suficientes para certificar su
desempeño. Por esta razón surge la idea de diseñar un tablero para el
calentamiento de rotores donde se pueda apreciar el comportamiento del mismo, y
así comprobar su buen desempeño.
Para llevar a cabo este diseño se emplearán herramientas metodológicas
tales como: la observación, revisiones bibliográficas, entre otras; que sirvan como
soporte para la obtención de la información necesaria para la realización de la
propuesta planteada.
El desarrollo de la investigación fue seccionado en cuatro capítulos, los
cuales están estructurados de la siguiente forma:
Capítulo I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. En este capítulo se
presenta todo lo relacionado al planteamiento del problema, objetivo general y
XIX
objetivos específicos de la investigación, justificación, así como también la
delimitación espacial, temporal y científica de la investigación.
Capítulo II: MARCO TEÓRICO. En este capítulo se recopila toda la
información necesaria para el estudio, tal como antecedentes y fundamentos
teóricos.
Capítulo III: MARCO METODOLÓGICO. En el presente capitulo se define
el tipo y diseño de la investigación, las técnicas e instrumentos de recolección
S
O
D
Capítulo IV: ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS.
VA En este capítulo se
R
E
S el desarrollo de los objetivos
E
presentan los resultados obtenidos mediante
R
OS
H
C
planteados en la investigación.
E
DER
datos, y las fases de la investigación.
XX
S
O
D
VA
ER I
S
CAPÍTULO
E
OS R
CH
E
R
DE
El Problema
21
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
En este capítulo se presentará todo lo relacionado al planteamiento del
problema, objetivo general y objetivos específicos de la investigación, justificación,
así como también la delimitación espacial, temporal y física de la investigación.
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
S
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D
VA
R
SE
E
R
S
La energía eléctrica ha sido, desde sus inicios, una de las fuentes de mayor
HO
C
E
ER
importancia de desarrollo del mundo moderno y su disponibilidad se ha hecho
D
indispensable al momento de determinar el éxito económico de los países
industrializados. Sin duda, la electricidad juega un papel muy importante en la vida
del ser humano, debido a que gracias a la energía eléctrica se establecen una
serie de comodidades, que con el pasar del tiempo se han tornado en una
necesidad para el hombre.
La generación eléctrica a nivel mundial se lleva a cabo mediante técnicas
muy diferentes, una de las más explotadas es el aprovechamiento de un
movimiento rotatorio que es el resultado de una fuente de energía mecánica
directa, como puede ser la corriente de un salto de agua, la producida por el
viento, o a través de un ciclo termodinámico. Esta energía mecánica es
transformada a energía eléctrica gracias a máquinas rotativas, denominados
generadores eléctricos, en su gran mayoría mediante generadores sincrónicos.
El generador síncrono es capaz de transformar energía mecánica en
energía eléctrica. Está compuesto principalmente por una parte dinámica o rotor y
una parte estática o estator. Estos generadores eléctricos son muy utilizados en el
ámbito de producción de energía eléctrica en grandes centrales, ya que posee un
buen rendimiento, además de ser una máquina muy confiable de robustez y
capacidad para trabajar en diferentes ambientes.
22
En Venezuela el suministro de energía eléctrica viene dado por la acción de
los generadores síncronos, quienes se encargan de abastecer la carga del
sistema nacional para el aprovechamiento del colectivo en general, de allí la
consideración de su buen funcionamiento.
Debido a la importancia de mantener los generadores síncronos en
continuo funcionamiento, es necesario un mantenimiento eficaz a través del cual
S
O
D
VA
se puedan detectar fallas y emprender reparaciones, para recuperar su condición
R
operativa, ofreciendo mayor confiabilidad y continuidad en el proceso de
SE
E
R
S
generación; evitándose así consecuencias de mayor magnitud.
HO
C
E
ER
D
Por lo general, los generadores síncronos presentan inevitables fallas
eléctricas, debido a que se pueden presentar sobrecargas que les imponen
temperaturas superiores a su valor nominal, ocasionando deterioro en los
aislamientos de los conductores, que con el transcurrir del tiempo pueden originar
daños por cortocircuitos, reflejados en su mayoría en la parte dinámica de la
máquina, es decir, en el rotor.
Una de las fallas más comunes en devanados de rotores es el cortocircuito
ya anteriormente mencionado, que se hace presente cuando dos o más espiras
están eléctricamente en contacto. Este generalmente es ocasionado por una
sobrecarga o exceso de corriente, que calienta de manera abrupta a los
devanados, quemando los aislamientos y ocasionando así un cortocircuito entre
espiras.
En particular, la reparación de los rotores de generadores síncronos se
hace de manera rigurosa, ya que conlleva al despojo de todas las partes que
23
conforman el rotor, con el propósito de sustituir las piezas afectadas por nuevas
tales como: reemplazo de bobinados, cambios de cojinetes, entre otros.
Posteriormente, realizadas las sustituciones de piezas, el rotor es sometido
a un tratamiento térmico que consiste en la elevación de la temperatura de las
bobinas del rotor, mediante la inyección de corriente de manera progresiva y
controlada para luego con ayuda de unos dispositivos realizar el moldeado y
S
O
D
VA
prensado de las mismas en el área de cabeza de bobinas, con la finalidad de
R
llevarlas a la medida adecuada para la instalación de los tacos espaciadores y
SE
E
R
S
anillos de retención. Por medio de la misma técnica de calentamiento se realizan
HO
C
E
con el fin de retirar
DERla humedad interna del rotor; otro procedimiento aplicado
otros procesos, como es el caso de secado que se efectúa entre los 50 y 60 ºC
mediante el método de inyección de corriente es el curado, realizado a unos 150
ºC para lograr el curado de la resina aislante aplicada a los rotores luego del
proceso de rebobinado.
Ya realizado los proceso de moldeado de devanados, curado de resina y
secado es indispensable revisar el comportamiento del rotor, esto debido que al
momento de su reparación los componentes utilizados por lo general no son de
igual calidad que los utilizados por los grandes fabricantes de los generadores
síncronos. Los materiales seleccionados en la repotenciación de estos equipos
influyen de manera directa en el proceder nominal de la máquina, y por ello se
hace necesario verificar que las características operativas del generador reparado,
cumple con los parámetros nominales del equipo en corriente, tensión y potencia.
Las empresas que efectúan el servicio de reparación y mantenimiento de
máquinas eléctricas, aplican diferentes técnicas para enmendar daños causados
por fallas o desgastes mecánicos, con el fin mejorar los procesos mantenimiento y
24
cumplir sus metas. Una de esas empresas es TurboCare C.A., ubicada en el
estado Zulia, especializada en la reparación y mantenimiento de máquinas
eléctricas específicamente generadores síncronos, que en su mayoría son de gran
capacidad.
En la actualidad en TurboCare C.A. se realizan los procesos de reparación
con buenos resultados, pero la problemática se centra en el hecho de que no
S
O
D
VA
existen medios para corroborar con exactitud si, posterior a la reparación, el
R
comportamiento del rotor es adecuado; pues para ello se requiere ponerlo en
SE
E
R
S
marcha, en condiciones similares a las de su trabajo habitual, exponiéndolo a
HO
C
E
R en niveles relativamente bajos de corriente, que no son
comprobación seE
D ejecuta
corrientes que generen la correspondiente elevación de temperatura. Esta
suficientes para certificar su desempeño.
Entre las condiciones de trabajo desfavorables se tiene que el proceso de
inyección de corriente al rotor es realizado por medio de una máquina de soldar,
tipo generador con motor de combustión diesel, la cual emite gases nocivos para
la salud de los trabajadores. Otra de las condiciones de trabajo no adecuada es el
chequeo de temperatura en el rotor, que es ejecutado por medio de un operador
cada cierto tiempo lo que conlleva a un costo por sobretiempo.
Por ello, a fin de solventar esta situación se ha propuesto como trabajo
especial de grado, el diseño de un tablero para el calentamiento de rotores por
medio de un proyecto piloto en la empresa TurboCare C.A., quien siendo líder en
Latinoamérica en mantenimiento de equipos de transformación de energía,
necesita garantizar a su amplia clientela, que los generadores reparados en sus
instalaciones se desempeñarán de manera eficaz en sus respectivos campos de
trabajo.
25
2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.
Con base en el planteamiento anterior se formula la siguiente interrogante:
¿Cómo diseñar un tablero para el calentamiento de rotores de generadores
síncronos reparados en TurboCare, C.A.?
3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN.
S
O
D
VA
ER
S
E
R
Los objetivos propuestos en esta
investigación son los siguientes:
S
O
H
EC
R
E
D
3.1. OBJETIVO GENERAL.
Diseñar un tablero para el calentamiento de rotores de generadores
síncronos reparados en TurboCare, C.A.
3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
•
Describir los procesos de moldeado de devanados, curado de resina y
secado de devanados, utilizados en rotores de generadores síncronos.
•
Analizar en normativa vigente el protocolo establecido para el proceso de
calentamiento de rotores de generadores síncronos.
•
Determinar los requerimientos técnicos y operativos que debe satisfacer el
tablero para el calentamiento de rotores de generadores síncronos
reparados en TurboCare, C.A.
26
•
Diseñar el hardware requerido para el tablero para el calentamiento de
rotores de generadores síncronos reparados en TurboCare, C.A.
•
Desarrollar el software adecuado a las especificaciones del tablero para el
calentamiento de rotores de generadores síncronos reparados en
TurboCare, C.A.
4. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN.
S
O
D
A de la necesidad de
La importancia de la presente investigación V
surge
R
E
E
automatizar el proceso de calentamiento
deS
rotores de generadores síncronos
R
S
HO C.A., y cambiar le metodología de trabajo,
reparados en la empresaC
TurboCare
E
DER de la misma el diseño para una posterior construcción e
poniendo a disposición
implementación, y así brindar un mejor servicio garantizado a su clientela.
Con la construcción de este tablero, fundamentado en el diseño propuesto, se
podrá ejecutar adecuadamente y con las medidas de seguridad requeridas la
inserción de corriente en rotores reparados correspondientes generadores
síncronos; determinando y corrigiendo oportunamente los defectos de fabricación
que puedan surgir en ese devanado.
Para los trabajadores de TurboCare C.A., encargados de esas labores, la
utilización de este tablero representará un novedoso proceso, dotado del hardware
y software apropiado, disminuyendo la incidencia del error humano en los
resultados del proceso de calentamiento del devanado de este tipo de rotor, y en
consecuencia incrementando la calidad del acabado del mismo.
Es destacable como beneficio directo, que este tablero facilitará el
mantenimiento y reparación de los generadores síncronos, ejecutado dentro de los
talleres de TurboCare C.A, con un manejo sencillo del tablero por parte del
operador; que se reflejará en la disminución de las horas hombres de trabajo
27
debido a la rapidez del sistema; reduciendo así los costos asociados, e
incrementando el beneficio económico de la empresa.
Al automatizar el proceso de calentamiento en rotores de generadores
síncronos se mejorarán las condiciones de trabajo del personal, ya que se
eliminará la contaminación ocasionada por los gases emitidos por el motor diesel,
y a su vez evitando la expansión del mismo al medio ambiente.
S
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D
VA
5. DELIMITACIÓN.
5.1. DELIMITACIÓN ESPACIAL.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R de investigación, se realizará en las instalaciones de
El presente
DEtrabajo
TurboCare, C.A., en el Departamento de Generadores, cuya sede se encuentra
ubicada en la Zona Industrial, calle 146, Esq. Av. 62 Edificio TurboCare
Maracaibo, Venezuela.
5.2. DELIMITACIÓN TEMPORAL.
La investigación será efectuada durante seis meses, a partir de la
aprobación del anteproyecto.
5.3. DELIMITACIÓN CIENTÍFICA.
El área temática de trabajo está contemplada en la Ingeniería Eléctrica
dentro la línea de investigación de Control en el Área de Automatización Industrial,
dirigida a procesos relacionados con reparación de rotores de generadores
síncronos de alta capacidad.
28
R
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E
R
S
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C
E
ER
D
S
O
D
VA
CAPÍTULO II
Marco Teórico
29
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA.
La compañía TurboCare, C.A., tuvo sus comienzos en la década de los 50
cuando Westinghouse Electric Corporation instala la primera turbina a gas en el
S
O
D
VA
Lago de Maracaibo. Dos décadas más tarde el 23 de Octubre de 1973, se da
inicio a las operaciones de Servicios Industriales SerWestca, C.A (antes Servicios
R
SE
E
R
S
Industriales Westinghouse) y a partir de 1995 Servicios Industriales SerWestca,
HO
C
E
Vapor
hasta 400 MW,
DER
C.A, enfoca sus negocios en su totalidad a: Turbinas a Gas hasta 180 MW,
Turbinas a
Compresores Centrífugos y Generadores
Eléctricos. A partir del 01 de Octubre del 2008 SerWestca, C,A., se transforma en
TurboCare, C.A., conservando su misma gente, sus mismos principios y sus
mismos valores.
Misión
Estamos orientados a prestar un servicio integral, contando con un grupo de
profesionales altamente capacitados que manejan conocimiento en paralelo del
producto, de servicio de campo, de capacidad de reparación, de atención al cliente
y de la puntualidad en el tiempo de respuesta, que incluye inspecciones y
reparaciones en taller.
Visión
Convertirnos en el líder mundial en el suministro del mercado de accesorios
partes turbo maquinaria y servicios mediante la entrega de una insuperable
combinación de la capacidad de respuesta, fiabilidad y calidad.
30
Consolidar las mejoras continuas de nuestros procesos e incrementar el
valor agregado a nuestros servicios y fortalecer los conocimientos técnicos a
través de la sinergia y la red de talleres y oficinas TurboCare ubicadas alrededor
del mundo.
Estructura Organizativa
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
Figura 2.1 Estructura Organizativa
Fuente: TurboCare, C.A. (2011)
2.2. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN.
A continuación se exponen en forma resumida varios estudios que
contemplan aspectos de interés y que representan un antecedente para esta
investigación realizadas en la Facultad de Ingeniería, Universidad Rafael
Urdaneta, Maracaibo – Venezuela.
31
En el año 2003 Juan C. Rangel A, realizó el trabajo especial de grado en la
escuela de Ingeniería Eléctrica, titulado “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
SISTEMA
AUTOMATIZADO
PARA
EL
CONTROL
DE
PRUEBAS
EN
GENERADORES SINCRONICOS”.
Dicha investigación tuvo como objetivo general, diseñar y construir un
sistema automatizado para el control de pruebas en generadores sincrónicos de
baja tensión, en el laboratorio de máquinas eléctricas de la Escuela de Eléctrica de
S
O
D
VA al laboratorio de
a realizar con los generadores sincrónicos pertenecientes
R
E
S
máquinas eléctricas II, en funciónS
de R
losErecursos disponibles en el mismo y
HO las variables de control y monitoreo en las
C
normativa aplicable; b)EDeterminar
R
E
D
pruebas de vacío, cortocircuito y en carga; c) Diseñar y construir el módulo de
la Universidad del Zulia. Sus objetivos específicos fueron: a) Identificar las pruebas
control de pruebas que incluye la elaboración de esquemas de control, diseño
ergonómico, planos eléctricos, conexionado interno, selección y especificaciones
de equipos de medición, control, protección y adquisición de datos; d) Verificar las
características de funcionamiento de la tarjeta de adquisición de datos PCI-6025E;
e) Diseñar los diferentes algoritmos o programas, con el software LabVIEW,
basado en la programación modular asociado al sistema de control; f) Elaborar el
software con los diferentes programas en función del lenguaje de programación G;
g) Comprobar el funcionamiento del sistema automatizado mediante la realización
de las pruebas, previamente seleccionadas, en el generador sincrónico existente
en el laboratorio.
La recopilación de la información necesaria fue extraída de textos, normas,
guías, manuales técnicos, apuntes dictados por profesores de la cátedra máquinas
eléctricas II. Además, en los textos se consultaron los fundamentos y bases
teóricas aplicadas al trabajo especial de grado, así como también lo relacionado
con las diferentes señales analógicas y digitales utilizadas en el proceso de
adquisición de datos mediante la aplicación de la tarjeta PCI-6025E.
32
Este trabajo especial de grado corresponde a investigación de tipo
descriptiva y explicativa. La técnica de recolección de datos utilizada se centra en
información teórica de tópicos contenidos en fuentes, tales como: textos, normas,
guías, manuales técnicos, información directa, entrevistas y otros. La metodología
de trabajo está comprendida bajo cinco etapas que son: revisión bibliográfica,
selección de pruebas o ensayos, diseño y construcción del módulo de control de
pruebas, comprobación de resultados y elaboración del manual de usuario y disco
de instalación.
S
O
D
VA
R
Se logró aplicar un sistema automatizado a un generador sincrónico, el
SE
E
R
S
cual consistía en el control de pruebas de vacío, cortocircuito y bajo carga. Dicho
HO
C
E
R
visual a travésD
deEinstrumentos
virtuales, minimizando el tiempo requerido para la
sistema muestra las variables o parámetros en tiempo real, de forma impresa y
realización de los ensayos, creando mejores condiciones de seguridad al usuario y
a los equipos, evitando gran cantidad de conexiones eléctricas además de
proporcionar mayor espacio físico por el uso del computador personal, utiliza
instrumentos virtuales a nivel de laboratorio, reduce costos de equipos e
instrumentos de medición que se traducen en una mínima inversión económica
requerida para el funcionamiento de sus laboratorios. La lógica de control del
ensayo, para la adquisición de las diferentes señales analógicas como corrientes y
tensiones en AC o DC, son monitoreadas y procesadas a través de un cable de
comunicaciones ubicado entre el módulo de control y la computadora. El
acondicionamiento de señal, incluye funciones como amplificación, filtrado,
aislamiento eléctrico y multiplicación. Así mismo, se destaca el control de la
corriente de excitación, utilizando un motor DC acoplado al variac controlado a
través del PID alojado en el software, diseñado para la ejecución de las
experiencias prácticas de los generadores sincrónicos.
Esta investigación proporciona una visión de cómo aplicar un sistema
automatizado para el monitoreo y control de variables o parámetros específicos
predeterminados del sistema. Otro de los motivos por lo cual ha sido tomado como
33
antecedente es que enfoca un interés en mejorar las condiciones de trabajo del
operario, creando mejores condiciones de seguridad al usuario, dando paso a
nuestro interés de tomar en cuenta éstos importantes aspectos.
En el año 2008 Juan M. Carrasquero M., realizó el trabajo especial de grado
en la escuela de Ingeniería Eléctrica, titulado, “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE
UN SISTEMA AUTOMATIZADO DE PRUEBAS ELÉCTRICAS A FUSIBLES,
INTERRUPTORES, TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Y CONECTORES
S
O
D
VA
DE MEDIA Y BAJA TENSIÓN UTILIZADOS POR ENELVEN”.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R eléctricas a fusibles, interruptores, transformadores de
automatización de
DEpruebas
El objetivo general planteado fue diseñar e implementar un sistema de
corriente y conectores de media y baja tensión utilizados por Enelven, y los
objetivos específicos fueron: a) Diagnosticar el estado físico y operativo de la
máquina del equipo de inyección de corriente perteneciente al laboratorio de
verificación de calidad de Enelven; b) Desarrollar el protocolo de pruebas tomando
en consideración las normas vigentes nacionales e internacionales para fusibles,
interruptores, transformadores de corriente y conectores de media y baja tensión;
c) Determinar las características técnicas y la filosofía de operación del sistema de
automatización; d) Realizar el hardware y el software del sistema de
automatización; e) Comprobar el funcionamiento del sistema de automatización y
elaborar el manual de usuario.
Para esta investigación, se aplicaron diversas técnicas de recolección de
datos, entre las cuales se pueden mencionar: la observación documental, la
observación directa, la observación indirecta y la entrevista estructurada. Se
enmarca dentro de la investigación descriptiva y en la cual las actividades
requeridas para la consecución de los objetivos planteados se dividen en seis
fases. A continuación se describen dichas fases: recopilación de información,
diagnóstico del equipo inyector de corriente, desarrollo de los protocolos de
34
pruebas, diseño del sistema automatizado, verificación del funcionamiento del
sistema de automatización, elaboración del manual de usuario del sistema de
automatización.
Se logró el diseño e implementación de un sistema automatizado de
pruebas eléctricas que permite elaborar pruebas eléctricas a los dispositivos antes
mencionados y visualizar los resultados de cada una de las pruebas realizadas
con el mismo. Este sistema consta de un hardware diseñado especialmente para
S
O
D
VA
esta aplicación, conformado por un motor, termopares, un computador portátil, un
R
equipo inyector de corriente, una interfaz y un transformador de corriente de igual
SE
E
R
S
formar el sistema posee un software diseñado en VISUAL BASIC 6.0, que permite
HO
C
E
R en las que resulta muy simple introducir la información
pantallas de fácil
DEmanejo,
controlar y monitorear la ejecución de las pruebas de forma sencilla a través de
requerida para la elaboración de dichas pruebas eléctricas. El hardware y el
software combinados constituyen el sistema automatizado que se convierte en una
herramienta de avanzada demostrada mediante apropiados y confiables
resultados, obtenidos en las pruebas en dispositivos seleccionados, utilizando los
protocolos de pruebas diseñados también para estos fines, así como el referido al
sistema automatizado. Con este producto se fortaleció el equipamiento del
mencionado laboratorio y asegura la correcta ejecución de las pruebas.
Dicha investigación está centrada en el diseño de un sistema
automatizado, el cual nos provee información relevante para diseñar sistemas de
control automatizados para efectuar pruebas eléctricas. A su vez, el sistema
consta de un hardware diseñado conformado por termopares, entre otros
elementos, los cuales son de suma importancia a la hora de la realización de
nuestro trabajo especial de grado ya que se tomará en cuenta como elemento
dentro del diseño.
En el año 2008 José R. Carbone N. y Eduardo J. Morón M, realizaron el
trabajo especial de grado en la escuela de Ingeniería Eléctrica, titulado, “DISEÑO
35
DE MÓDULO DE PRUEBAS PARA DETERMINAR EL NÚMERO DE VUELTAS
EN BOBINAS DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN, ELABORADAS
POR LA EMPRESA TIVECA”.
Esta investigación tuvo como objetivo principal, diseñar un módulo de
pruebas para determinar el número de vueltas en las bobinas de los
transformadores de distribución, elaboradas por la empresa TIVECA, y entre sus
objetivos específicos se pueden nombrar: a) Identificar las características
S
O
D
VA
constructivas de las bobinas de los transformadores de distribución elaboradas por
R
la empresa TIVECA; b) Establecer criterios de diseño, especificaciones técnicas y
SE
E
R
S
filosofía de operación del módulo de pruebas para la comprobación del número de
HO
C
E
eléctrico y mecánico
DERdel módulo de pruebas; d) Elaborar los planos ergonómicos y
vueltas en bobinas de transformadores de distribución; c) Realizar el diseño
eléctricos del módulo de pruebas; e) Elaborar características técnicas de los
diferentes componentes que constituyen al módulo de pruebas; f) Realizar el
estimado de costo de materiales y equipos a utilizar para la construcción del
módulo de pruebas.
Las técnicas de recolección de datos utilizadas fueron: La observación
directa y las entrevistas estructuradas al personal especializado en la materia
adscrita a la empresa TIVECA, tales como ingenieros, técnicos y trabajadores. La
observación documental fue otro de los métodos para la recolección de datos. El
tipo de investigación realizada fue de tipo descriptiva y la metodología de trabajo
comprende tres fases, éstas son las siguientes: documentación teórica,
documentación técnica y diseño del módulo de prueba del número de vueltas en
bobinas.
Se logró la elaboración de un diseño completo de un módulo capaz de
realizar esta prueba, el cual se desarrolló basado en la experiencia del personal
calificado. La investigación se inicia con una identificación de las principales
características constructivas de las bobinas de los transformadores de distribución
36
que actualmente fabrica la empresa. Esta propuesta presenta los diferentes
criterios aplicados para el desarrollo del diseño del módulo, como también los
detalles de las características físicas y dimensiones, además todo lo relacionado
con el diseño eléctrico y mecánico que garantizan su adecuado funcionamiento,
igualmente se encuentran los planos ergonómicos y eléctricos para su
construcción y las especificaciones técnicas de cada uno de los componentes
implementados. Esta investigación consta con un estimado de costo de materiales
y equipos necesarios para la fabricación del módulo de pruebas.
S
O
D
VA
R
Esta investigación se presenta como un gran aporte para el presente
SE
E
R
S
trabajo especial de grado, ya que el mismo ilustra el proceso para establecer los
HO
C
E
R de control, así como también las dimensiones, y todo lo
operación de D
un E
módulo
criterios de diseño, especificaciones técnicas, características físicas y filosofía de
relacionado con la parte eléctrica y mecánica que garantizan su adecuado
funcionamiento, proporcionando así información de mucha utilidad para el logro de
nuestro trabajo especial de grado.
2.3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS.
Toda investigación o proyecto debe mostrar la estrecha relación que existe
entre la teoría, el proceso de investigación y la realidad o entorno. La finalidad de
las bases teóricas es el situar el problema que se está estudiando dentro de un
conjunto de conocimientos, que permita orientar la búsqueda y ofrezca una
conceptualización adecuada de los términos que se utilizaran en el trabajo.
La teoría da significado a la investigación. Es a partir de las teorías
existentes sobre el objeto de estudio, como pueden generarse nuevos
conocimientos. La validez interna y externa de una investigación se demuestra en
las teorías que la apoyan y, en esa medida, los resultados pueden generalizarse.
37
2.3.1. MÁQUINAS SINCRÓNICAS.
Los generadores sincrónicos o alternadores son máquinas sincrónicas
utilizadas para convertir energía mecánica en energía eléctrica. Este capítulo
estudia los generadores sincrónicos, cuando operan solos o cuando operan
conjuntamente con otros generadores.
En un generador síncrono se aplica una corriente de excitación al devanado
S
O
D
VA giratorio dentro de
gira mediante un motor primario y produce un campo
magnético
R
E
S un grupo trifásico de tensiones
Einduce
R
la máquina. Este campo magnético S
giratorio
O
H
C
en los devanados del estator
del generador.
E
DER
del rotor, la cual produce un campo magnético. Entonces el rotor del generador
Dos términos muy utilizados para describir los devanados de la máquina
son: devanados de campo y devanados de armadura. En general, el término
“devanados de campo” se aplica a los devanados que producen el campo
magnético principal en la máquina, por su parte el término “devanados de
armadura” se aplica a los devanados donde se induce la tensión principal. En las
máquinas sincrónicas, los devanados de campo están sobre el rotor, de modo que
los términos “devanados del rotor” y “devanados de campo” se utilizan
indistintamente. De igual modo se emplean los términos “devanados estatóricos” y
“devanados de armadura”.
Por su parte, el rotor de un generador sincrónico es un gran electroimán.
Los polos magnéticos del rotor pueden ser construidos salientes o no salientes. El
término “saliente” significa “proyectado hacia afuera”; un polo saliente es un polo
magnético que se proyecta hacia afuera de la superficie del rotor. Por otro lado, un
polo no saliente es un polo magnético construido al mismo nivel de la superficie
del rotor. La figura 2.2 a) muestra un rotor de polos no salientes o cilíndricos y la
figura 2.2 b) muestra un rotor de polos salientes. Puesto que el rotor está sujeto a
38
campos magnéticos variables, se construye con láminas delgadas agrupadas para
reducir las pérdidas por corrientes parásitas. (Stephen J. Chapman, 2005).
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
Figura 2.2. a) Rotor de polo no saliente o cilíndrico. b) Rotor de polos saliente.
Fuente: Máquinas Eléctricas. Stephen Chapman, 2005.
Los anillos rozantes son metálicos que circundan el eje de la máquina pero
se encuentran aislados de él. Un extremo del devanado del rotor está unido a
cada uno de los dos anillos rozantes colocados sobre el eje de la máquina
síncrona, y una escobilla estacionaria se desliza sobre cada anillo rozante. Una
“escobilla” es un bloque de un compuesto de carbón grafitado que conduce la
electricidad libremente y tiene muy baja fricción para no desgastarse con los
anillos rozantes. Si se conecta el extremo positivo de una fuente de tensión a una
escobilla y el extremo negativo a la otra, se aplicará igual tensión al devanado de
campo en todo momento, sin tener en cuenta la posición angular o la velocidad del
rotor.
Los anillos rozantes y las escobillas crean algunos problemas cuando se
utilizan para suministrar potencia de los devanados de campo de la máquina
39
sincrónica, pues exigen más mantenimiento en la máquina ya que se deben
revisar con regularidad las escobillas debido a su desgaste. Además, la caída de
tensión en las escobillas puede causar pérdidas significativas de potencia en las
máquinas que tienen grandes corrientes de campo. A pesar de estos problemas,
los anillos rozantes y las escobillas se utilizan en todas las máquinas sincrónicas
pequeñas ya que en ningún otro método de suministro de corriente de campo es
adecuado por el costo que representa.
S
O
D
VA
R
Los generadores sincrónicos son por definición, aquellos donde la
SE
E
R
S
frecuencia eléctrica producida está entrelazada o sincronizada con la tasa
HO
C
E
electroimán al cual
se suministra corriente directa. El campo magnético del rotor
DER
mecánica de rotación del generador. Un rotor de generador síncrono consta de un
apunta en cualquier dirección según gire el rotor. La relación entre la tasa de giro
de los campos magnéticos de la máquina y la frecuencia eléctrica del estator se
expresa mediante la ecuación 2.1:
(Ec. 2.1)
Dónde:
fe = Frecuencia eléctrica, en Hz.
nm = Velocidad mecánica del campo magnético en r/min (igual a la
velocidad del rotor para las máquinas sincrónicas).
P = Número de polos.
Puesto que el rotor gira con la misma velocidad que el campo magnético,
esta ecuación relaciona la velocidad de rotación del rotor con la frecuencia
eléctrica resultante. Dado que la potencia eléctrica es generada a 50 ó 60 Hz, el
40
generador debe girar a una velocidad fija que depende del número de polos de la
máquina. Por ejemplo, para generar potencia a 60 Hz en una máquina de dos
polos, el rotor debe girar a 3600 r/min. Para generar potencia a 50 Hz en una
máquina de cuatro polos, el rotor debe girar a 1500 r/min.
2.3.1.1. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE GENERADORES SÍNCRONOS.
Si en un generador sincrónico se aplica al embobinado del rotor una
S
O
D
VA lo cual producirá un
del generador se impulsará por medio de un motorR
primario,
E
S Este campo magnético rotatorio,
E
R
campo magnético rotatorio dentro de
la
máquina.
S
Ovoltajes
H
C
inducirá un sistema trifásico
de
dentro del embobinado del estator del
E
R
E
generador. D
corriente contínua, se producirá un campo magnético en el rotor. Entonces, el rotor
El rotor de un generador sincrónico es esencialmente un gran electroimán.
Los polos magnéticos del rotor pueden ser de construcción saliente o no saliente.
El término saliente significa protuberante o resaltado; y un polo saliente es un polo
magnético que resalta de la superficie del rotor. Por otra parte, un polo no saliente
es un polo magnético construido a ras de la superficie del rotor. Los rotores de
polo no saliente se usan normalmente para rotores de dos y cuatro polos, mientras
que lo de polo saliente se utiliza normalmente en rotores de cuatro o más polos.
Como el rotor está sujeto a cambios en los campos magnéticos, se construye de
láminas delgadas para reducir perdidas por corrientes parásitas.
Un flujo de corriente continua debe alimentar el circuito de campo del rotor.
Puesto que éste está girando, se necesita un arreglo especial para llevar la fuerza
de corriente contínua a su embobinado de campo. Hay dos métodos comunes
para suministrar esta fuerza corriente contínua:
1.- Suministrarle al rotor la potencia de corriente contínua desde una fuente
externa de corriente contínua, por medio de anillos de rozamiento y escobillas.
41
2.- Suministro de potencia de corriente contínua desde una fuente de
corriente contínua especial, montado directamente en el eje del generador
sincrónico.
Los
anillos
de
rozamiento
son
anillos
metálicos
que
envuelven
completamente al eje de la máquina, pero aislados de él. Cada extremo del
embobinado del rotor de corriente contínua está unido a cada uno de los dos
anillos de rozamiento del eje de la maquina sincrónica y sobre cada uno de ellos
S
O
D
VA
se coloca una escobilla. Si el extremo positivo de una fuente de voltaje de
R
corriente contínua se conecta a una escobilla y el extremo negativo a la otra,
SE
E
R
S
entonces el mismo voltaje de corriente contínua llegara al embobinado de campo
HO
C
E
ER
en todo momento, sin tener en cuenta la posición angular o la velocidad del rotor.
D
Los anillos de rozamiento y las escobillas crean algunos problemas cuando
se usan para suministrar potencia de corriente contínua a los embobinados de
campo de una maquina sincrónica. Ellos aumentan la cantidad de mantenimiento
requerido por la máquina, puesto que las escobillas deben examinarse
periódicamente para ver su estado de desgaste. Además, la caída de voltaje en
las escobillas puede ser la causa de pérdidas significativas de potencia en
máquinas con corriente de campo muy grandes. A pesar de estos problemas, los
anillos de rozamiento y las escobillas se usan en todas las máquinas sincrónicas
más pequeñas, porque ningún otro método es tan económico para suministrar la
corriente de campo.
En generadores y motores más grandes, se usan excitatrices sin escobillas
para suministrarle la corriente de campo a la máquina. Una excitatriz sin escobilla
es un generador de corriente alterna pequeño con su circuito de campo montado
sobre el estator y su circuito de inducido montado sobre el eje del rotor. La salida
trifásica de la excitatriz se rectifica a corriente contínua con un circuito rectificador
trifásico, montado también sobre el eje del generador y luego inyectado al circuito
de campo principal. Controlando la escasa corriente de campo de corriente
42
contínua, en la excitatriz (localizada en el estator), es posible ajustar la corriente
de campo en la máquina principal sin anillos rozantes ni escobillas. Puesto que
nunca ocurre un contacto mecánico entre el rotor y el estator, una excitatriz sin
escobillas, requiere mucho menos mantenimiento que los anillos rozantes y las
escobillas.
Para hacer la excitación de un generador completamente independiente de
cualquier fuente de potencia externa, una pequeña excitatriz piloto se incluye a
S
O
D
VA
menudo en el sistema. Una excitatriz piloto es un generador de corriente alterna
R
pequeño, con imanes permanentes montados sobre el eje del rotor y un devanado
SE
E
R
S
trifásico sobre el estator; ella produce la potencia para el circuito de campo de la
HO
C
E
(Stephen J. Chapman,
DER2005).
excitatriz, que a su vez control el circuito de campo de la maquina principal.
Figura 2.3. Rotor de polos no salientes.
Fuente: Máquinas Eléctricas. Stephen Chapman, 2005.
2.3.1.2. GENERALIDADES DEL DEVANADO ROTÓRICO.
Conexiones del arrollamiento de un rotor devanado
Los rotores pequeños se suelen conectar como trifásico de la misma
manera que los devanados primarios, distribuyendo los grupos polares de cada
43
fase de manera que estén todos ellos en serie o formando dos o más secciones
en paralelo.
Las tres fases se conectan en estrella o en triangulo, todo ello para obtener
una tensión entre anillos apropiada.
En los motores grandes con bobinas de barra y un gran número de polos y
grupos, las conexiones frontales suelen ser muy incomodas de hacer, difíciles de
S
O
D
VA
sujetar y equilibrar, y requieren también el empleo de gran cantidad de cobre. En
R
estas máquinas se acostumbran a emplear el arrollamiento ondulado, ya que con
SE
E
R
S
este solamente se necesitan doce terminales en un arrollamiento trifásico, con el
HO
C
E
par
de R
polos. Los arrollamientos
DE
sistema de conexiones de grupo, deben ser conectados entre si doce terminales
para cada
ondulados pueden ser del tipo
ondulado propiamente dicho o modificado. En el primero se combinan los polos y
ramas de forma que todas las bobinas tengan el mismo paso; con el tipo
modificado un grupo de bobinas tiene un paso menor que los demás que los
demás en seis sitios diferentes.
Para formar el sistema de devanado ondulado se va siempre siguiendo
alrededor el rotor, cambiando de sentido en cada polo. Después de haber dado
una vuelta completa, el primer conductor segundo circuito cae al lado del que ha
servido del punto de partida, ya sea antes o después. Si es después el devanado
se llama progresivo, y si es antes retrogrado. En un devanado ondulado la
comprobación más importante es que el primer conductor de la segunda vuelta
caiga al lado del primero de la primera. (Stephen J. Chapman, 2005).
Devanados ondulados propiamente dichos para rotores devanados
Pueden ser divididos en secciones, siguiendo el devanado siempre un
mismo sentido y dividendo en seis partes iguales o emplear el método abreviado;
este método supone dos conductores por ranura, modo que cuando se trata de
44
cuatro conductores se supondrá el número de estos doblados. Para obtener un
número impar de ranuras con dos conductores, mediante un devanado con cuatro
barras por ranura, se deja muerta una bobina, es decir, un conductor superior de
una ranura y un conductor inferior de otra ranura que este separado de la primera
a una distancia igual al paso. Si se ha de tomar alguna derivación en una ranura
comprendida entre una bobina muerta o inactiva
se debe tener cuidado en
escoger la barra conveniente. La primera ranura que tiene un conductor inactivo
(supongamos que sea el superior) tiene solamente el conductor del fondo activo;
S
O
D
VA
por lo tanto el conductor superior de la ranura próxima debe considerarse como
R
perteneciente a la primera ranura. En otras palabras, las nuevas ranuras en la
SE
E
R
S
zona comprendida en una ranura inactiva están formadas por el conductor inferior
HO
C
E
deD
estas
ERranuras, lo anteriormente
de una ranura y el conductor superior de la siguiente. Si no debe tomarse ninguna
derivación
expuesto no debe tenerse en
cuenta. (Stephen J. Chapman, 2005).
Devanados ondulados modificados para rotores devanados
Prácticamente todos los bobinados del tipo ondulado, en los rotores de
construcción moderna, están modificados de manera que el número de fases por
el número de polos sean iguales para grupos iguales de bobinas, o bien que el
número de ranuras sean un múltiplo del producto del número de fases por el
número de pares de polos si se admiten grupos desiguales de bobinas. Esto se
obtiene curvando los extremos de las bobinas en seis sitios diferentes alrededor
del rotor para acortar el paso anterior de una ranura. (Stephen J. Chapman, 2005).
2.3.1.3. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR SINCRÓNICO.
La tensión EA es la tensión interna generada, en una fase del generador
sincrónico. Sin embargo, esta tensión EA no es usualmente la tensión que
aparece en los terminales del generador. En efecto, la única vez en la cual la
tensión interna EA es la misma tensión de salida Vφ, de una fase es cuando no
45
fluye corriente de armadura en la máquina. ¿Por qué la tensión de salida
φ de
V
una fase no es igual a EA, y qué relación hay entre las dos tensiones? La
respuesta a estas preguntas lleva al modelo de generador sincrónico.
Existen varios factores que ocasionan la diferencia entre EA y Vφ:
1. La distorsión del campo magnético del entrehierro debida a la corriente que
fluye en el estator, llamada reacción del inducido.
S
O
D
VA
R
2. La autoinductancia de las bobinas de la armadura.
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
3. La resistencia de las bobinas de la armadura.
D
4. El efecto de la forma de los polos salientes del rotor.
El primer efecto mencionado y normalmente el mayor de ellos es la
reacción del inducido. Cuando gira el rotor de un generador, se induce un tensión
EA en las bobinas estatóricas del mismo. Si se conecta una carga a los terminales
del generador, fluye una corriente, pero el flujo de corriente trifásica estatórica
produce un campo magnético propio en la máquina. Este campo magnético
estatóricos distorsiona el campo magnético del rotor cambiando la tensión de fase
resultante. Este efecto se llama reacción del inducido debido a que la corriente del
inducido (estator) afecta al campo magnético que la produce en primera instancia.
(Stephen J. Chapman, 2005).
La tensión en una fase es entonces:
(Ec. 2.2)
46
Obsérvese el circuito de la figura 2.4. La ley de tensiones de Kirchhoff para
este circuito se muestra en la ecuación (2.2). Entonces, la tensión de reacción del
inducido se puede modelar mediante una inductancia en serie con la tensión
interna generada.
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
DFigura 2.4. Circuito Sencillo del Generador Sincrónico.
Fuente: Máquinas Eléctricas. Stephen Chapman, 2005.
Además de los efectos de la reacción del inducido, los devanados del
estator tienen una autoinductancia y una resistencia. Si llamamos IA la
autoinductancia del estator (y XA a su correspondiente reactancia), mientras que
la resistencia del estator es llamada RA, la diferencia total entre EA y áVφ est
dada por:
(Ec. 2.3)
Los efectos de la reacción del inducido y la autoinductancia de la máquina
son representados por reactancias, y es costumbre combinarlas en una sola
llamada reactancia sincrónica de la máquina:
(Ec. 2.4)
La ecuación final que describe a Vφ es:
47
(Ec. 2.5)
El circuito equivalente por fase de esta máquina se muestra en la figura 2.5.
Se debe tener en cuenta un factor importante al utilizar el circuito equivalente por
fase: las tres fases tienen igual tensión y corriente sólo cuando las cargas
conectadas a ellas están balanceadas. Si las cargas sobre el generador no están
S
O
D
VA
balanceadas, se requieren técnicas de análisis más sofisticadas.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
Figura 2.5. Circuito equivalente por fase.
Fuente: Máquinas Eléctricas. Stephen Chapman, 2005.
2.3.1.4 CURVAS DE CAPACIDAD DEL GENERADOR SINCRÓNICO.
El límite de calentamiento del rotor y del estator, junto con cualquier
limitante externa al generador, pueden ser expresados en forma gráfica por un
diagrama de capacidad. Un diagrama de capacidad es un dibujo de la potencia
compleja S = P + jQ derivado del diagrama fasorial del generador, suponiendo que
Vφ es constante en la tensión nominal de la máquina. (Stephen J. Chapman,
2005).
48
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
Figura 2.6. Derivación de la curva de capacidad de un generador sincrónico, a) Diagrama
fasorial del generador, b) Unidades correspondientes de potencia.
D
Fuente: Máquinas Eléctricas. Stephen Chapman, 2005.
La figura 2.6a muestra el diagrama fasorial de un generador sincrónico que
opera a un factor de potencia en atraso y tensión nominal. Se dibuja un conjunto
de ejes ortogonal sobre el diagrama con su origen en el extremo de Vφ y unidades
de volts. En este diagrama, el segmento vertical AB tiene una longitud XS.IA.cosθ
y el segmento horizontal OA tiene una longitud XS.IA.senθ.
Los ejes vertical y horizontal de la figura pueden ser recalibrados en
términos de las potencias real y reactiva (figura 2.6b). El factor de conversión para
cambiar la escala de los ejes de volts a voltamperes (unidades de potencia) es 3
Vφ/XS:
En los ejes de tensión, el origen del diagrama fasorial está en -Vφ sobre: el
eje horizontal, de modo que el origen del diagrama de potencia está en:
(Ec. 2.6)
(Ec. 2.7)
49
La corriente de campo es proporcional al flujo de la máquina y éste es
proporcional a EA = K.φ.ω. La longitud correspondiente a EA sobre el diagrama de
potencia es:
(Ec. 2.8)
S
O
D
VA
La corriente del inducido IA es proporcional a XS.IA y, la longitud
correspondiente a XS.IA sobre el diagrama de potencia es 3.VφIA.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
Figura 2.7. Curva de capacidad del generador.
Fuente: Máquinas Eléctricas. Stephen Chapman, 2005.
La curva final de capacidad del generador sincrónico se muestra en la figura
2.7. Es un dibujo de P contra Q, en que la potencia real P está sobre el eje
horizontal y la potencia reactiva Q sobre el eje vertical. Las líneas de corriente del
inducido Ia constante aparecen como líneas de S = φ.IA,
3.V las cuales son
círculos concéntricos alrededor del origen. Las líneas de corriente de campo
constante corresponden a líneas de EA constante, las cuales se muestran como
círculos de magnitud 3.EA.Vφ/XS centrados en el punto .
50
El límite de la corriente del inducido
aparece como
el
círculo
correspondiente a la corriente nominal IA o a los kilovoltamperes nominales, y el
límite de la corriente de campo aparece como el círculo correspondiente a IF o EA
nominales. Cualquier punto situado entre ambos círculos es un punto de operación
segura para el generador.
2.3.1.5 PLACA CARACTERISTICA DE LOS GENERADORES SÍNCRONOS.
S
O
D
A fácilmente visible y
Cada generador debe contar con una placaR
deV
datos,
E
ESdel mismo material que las placas.
R
firmemente sujeta al generador conS
remaches
HO
C
Las placas de datos deben
ser
de acero inoxidable, la pintura no debe cubrir las
E
R
E
D
placas de datos, la información debe ser grabada en el metal de las placas de tal
manera que pueda ser leída aunque desaparezca la coloración e impresiones de
superficie. (Stephen J. Chapman, 2005).
Placas de identificación de máquinas eléctricas según la norma DIN:
Figura 2.8. Placa característica de máquinas eléctricas según la norma DIN.
Fuente: http://electricidad-viatger.blogspot.com/2008/06/placa-de-caractersticas-en-las-mquinas.html
51
En donde:
1. Nombre del fabricante.
2. Tamaño, forma de construcción.
3. Clase de corriente.
4. Clase de máquina; motor, generador, etc.
5. Número de fabricación.
6. Identificación del tipo de conexión del arrollamiento.
7. Tensión nominal.
S
O
D
VA
8. Intensidad nominal.
ER
S
E
R aparente en kVA en generadores
corriente continua e inducción.
Potencia
S
O
H
síncronos. REC
E
D
10. Unidad de potencia, por ejemplo kW.
9. Potencia nominal. Indicación en kW para motores y generadores de
11. Régimen de funcionamiento nominal.
12. Factor de potencia.
13. Sentido de giro.
14. Velocidad nominal en revoluciones por minuto revol/min.
15. Frecuencia nominal.
16. “Err” excitación en máquinas de corriente continua y máquinas síncronas.
“Lfr” inducido para máquinas asíncronas.
17. forma de conexión del arrollamiento inducido.
18. Máquinas de cc y síncronas: tensión nominal de excitación. Motores de
inducido de anillos rozantes: tensión de parada del inducido (régimen
nominal).
19. Máquinas de cc y síncronas: corriente nominal de excitación. Motores de
inducido de anillos rozantes: intensidad nominal del motor.
20. Clase de aislamiento.
21. Clase de protección.
22. Peso en Kg.
23. Número y año de edición de la disposición VDE tomada como base.
52
2.3.1.6. OPERACIÓN DE CORTA DURACIÓN Y FACTOR DE SERVICIO.
La limitación más importante en la operación de estado estacionario de un
generador sincrónico es el calentamiento de los devanados del inducido y de
campo. En general el límite de calentamiento ocurre en un punto mucho menor
que el correspondiente a las máximas potencias magnética y mecánica que puede
suministrar el generador. De hecho, un generador sincrónico típico es capaz de
suministrar hasta el 300% de su potencia nominal durante cierto tiempo (hasta que
S
O
D
VA
sus devanados se queman). Esta capacidad de suministrar potencia por encima
R
de su valor nominal se utiliza para alimentar momentáneamente picos transitorios
SE
E
R
S
de potencia durante el arranque de motores y transitorios similares de carga.
HO
C
E
ER
(Stephen J. Chapman, 2005).
D
También es posible utilizar un generador durante largos periodos a
potencias que exceden los valores nominales, mientras los devanados no se
calienten demasiado antes de remover el exceso de carga. Por ejemplo, un
generador que suministre 1 MW indefinidamente podría suministrar 1.5 MW
durante 1 minuto sin daño grave, y más bajos niveles de potencia, durante
periodos progresivamente mayores. De todas maneras, la carga debe removerse
al final o los devanados se sobrecalentarán. Cuanta más alta sea la potencia
sobre el valor nominal, más corto será el tiempo que puede tolerarla la máquina.
La elevación máxima de temperatura que puede soportar la máquina
depende de la clase de aislamiento de sus devanados. Hay cuatro clases estándar
de aislamientos: A, B, F y H. Aunque exista una variación en la temperatura
aceptable, dependiendo de la construcción particular de la máquina y del método
para medir la temperatura, estas clases corresponden generalmente a elevaciones
de temperatura de 60, 80, 105 y 125 °C, respectivamente, sobre la temperatura
ambiente. Cuanto mayor sea la clase de aislamiento de una máquina dada, mayor
es la potencia que puede suministrar sin sobrecalentamiento de sus devanados.
53
El sobrecalentamiento de los devanados es un problema muy grave en un
motor o un generador. Una vieja regla empírica indicaba que por cada 10 °C de
elevación de temperatura por encima de la nominal del devanado, la vida media
de la máquina se reducía en la mitad. Los materiales de aislamiento modernos son
menos susceptibles de ruptura que los de antes, pero las elevaciones de
temperatura aún acortan dramáticamente sus vidas. Por esta razón una máquina
sincrónica no debe sobrecargarse a menos que sea necesario.
S
O
D
VA
Una pregunta relacionada con el problema de sobrecalentamiento es ¿qué
R
tan bien se conoce el requerimiento de potencia de una máquina? Antes de la
SE
E
R
S
instalación, con frecuencia sólo hay estimativos aproximados de la carga. Por
HO
C
E
R entre la potencia máxima verdadera de la máquina, y su
definido comoD
la E
relación
tanto, las máquinas de uso general tienen usualmente un factor de servicio
potencia nominal de placa. Un generador con un factor de servicio de 1.15 puede
ser operado indefinidamente sin daño a 115% de la carga nominal. El factor de
servicio de una máquina provee un margen de error en caso de que las cargas
sean estimadas equivocadamente.
2.3.2. INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN.
2.3.2.1. TERMOPAR.
El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck en 1821, de la
circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes
cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se
mantienen a distinta temperatura. Esta circulación de corriente obedece a dos
efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o
absorción de calor en la unión de dos metales distintos cuando una corriente
circula a través de la unión y el efecto Thomson que consiste en la liberación o
absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo
en el que existe un gradiente de temperaturas.
54
El efecto Peltier puede ponerse de manifiesto en el montaje de una cruz
térmica formada por la unión en su centro de dos metales distintos se hace pasar
una corriente en uno u otro sentido con el interruptor abierto. Después de cada
paso de corriente el otro interruptor se abre (desconectándose la pila) y se cierra
el otro interruptor leyendo en el galvanómetro la f.e.m creada, que es proporcional
a la temperatura alcanzada por la cruz térmica en cada caso.
Se observara que restando el calentamiento óhmico, que es el proporcional
S
O
D
VA
al cuadrado de la corriente, queda un remanente de temperatura que en un
R
sentido de circulación de la corriente es positivo y negativo en el sentido contrario.
SE
E
R
S
El efecto depende de los metales que forman la unión.
HO
C
E
El efecto
ER puede detectarse en un circuito formado por una barra
DThomson
metálica con un termopar diferencial aislado y una bobina para calentamiento
eléctrico centrada. En régimen, calentando con la bobina uno de los puntos, se
presentara una diferencia de temperaturas, lo que se acusara en el galvanómetro;
si ahora se hace pasar una corriente por la barra, se notara un aumento o
disminución de la temperatura diferencial con el efecto contrario si se invierte la
corriente.
La combinación de los dos efectos, de peltier y de Thomson, es la causa de
la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar.
2.3.2.2. AMPERIMETRO.
Es un instrumento digital diseñado para medir y presentar en forma digital la
corriente eléctrica de un equipo. Es importante tener la corriente adecuada para la
cual fueron diseñados los diferentes dispositivos conectados al sistema. Salirse de
éste rango de operación puede ser motivo de deterioro de los mismos.
55
Cuando la tecnología nos permite saber, cual es la intensidad, con bastante
precisión, no se debe seguir con dispositivos que solo indican que ‘‘hay’’ corriente
pero no exactamente cuánta.
El amperímetro puede ser utilizado no solo para corriente alterna sino
también para corriente continua.
Las corrientes alternas superiores a 5 amperios utilizan transformadores de
corriente, los cuales se pueden conseguir en amplia gama de relaciones de
S
O
D
VA
transformación.
R
SE
E
R
S
La medición de corriente continua ha sido hecha tradicionalmente utilizando
HO
C
E
respecto a lasD
variaciones
ER de temperatura. La corriente al circular produce una
un shunt. El shunt es una resistencia de una aleación bastante estable con
caída de tensión pequeña la cual se mide y se presenta como el valor de la
corriente. Normalmente los shunts vienen calibrados para que al pasar la corriente
nominal se tenga una caída de 60 mili-voltios.
2.3.2.3. MEGOHMETRO.
Es un aparato que permite medir la resistencia de aislamiento existente en
un conductor o sistemas de tierra. Funciona en base a la generación temporal de
una sobrecorriente eléctrica la cual se aplica al sistema hasta que se rompe su
aislamiento, al establecer un arco eléctrico.
El megóhmetro es un instrumento del tipo de los ohmímetros, en el que el
valor de la resistencia que se mide se registra directamente sobre una escala y
esta indicación es independiente de la tensión. Consta de dos partes principales:
un
generador
de
corriente
continua
de
tipo
magnetoeléctrico,
movido
generalmente a mano o electrónicamente (Megóhmetro digital), que suministra la
corriente para llevar a cabo la medición, y el mecanismo del instrumento por medio
del cual se mide el valor de la resistencia que se busca.
56
Este tiene dos imágenes permanentes rectas, colocadas paralelamente
entre sí. El inducido del generador, junto con sus piezas polares de hierro, está
montado entre dos de los polos de los imanes paralelos, y las piezas polares y el
núcleo móvil del instrumento se sitúan entre los otros dos polos de los imanes. El
inducido del generador se acciona a mano, regularmente, aumentándose su
velocidad por medio de engranajes. Para los ensayos corrientes de aislamiento, la
tensión que más se usa es la de 500 voltios, pero con el fin de poder practicar
S
O
D
VA
ensayos simultáneos a alta tensión, pueden utilizarse tensiones hasta 2500
voltios.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
Figura 2.9. Megóhmetro.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Meg %C3 %B3hmetro
2.3.2.4. EL SENSOR.
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o
químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables
eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura,
intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión,
fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una
57
resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un
sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente
eléctrica (como en un fototransistor), etc.
Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en
contacto con la variable de instrumentación con lo que Puede decirse también que
es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la
señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el
termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de
S
O
D
VA
dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede
ER
S
E
R automotriz, Industria
de aplicación de los sensores: S
Industria
O
CH Robótica, entre otros.
E
Medicina, Industria de
manufactura,
R
DE
decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas
aeroespacial,
Característica de un Sensor
Entre las características técnicas de un sensor destacan las siguientes:
•
Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede
aplicarse el sensor.
•
Precisión: es el error de medida máximo esperado.
•
Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable
de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la
variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia
para definir el offset.
•
Linealidad o correlación lineal.
•
Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de
salida y la variación de la magnitud de entrada.
•
Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede
apreciarse a la salida.
58
•
Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe
la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las
variaciones de la magnitud de entrada.
•
Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de
entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser
condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el
envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.
•
Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.
S
O
D
VA
R
E
S
E
Un sensor, es un tipo de transductor
R que transforma la magnitud que se
S
O
H que facilita su medida. Pueden ser de indicación
quiere medir o controlar,
en
Cotra,
E
R
E
directa (e.g. D
un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un
indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un
computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos
por un humano.
Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su
lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito
de
acondicionamiento,
como
por
ejemplo
un
puente
de
Wheatstone,
amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados
para el resto de la circuitería.
Resolución y Precisión
La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada
que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo
error esperado en la medida.
La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al
medir una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm,
59
entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm, pero
no puede asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría
de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el
coste del sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue
una distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es
decir, no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión.
Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución,
pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima
S
O
D
VA
variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de
R
SE
E
R
S
salida.
HO
C
E
ER
D
Tipo de Sensores
En la tabla se indican algunos tipos y ejemplos de sensores electrónicos.
Tabla 2.1 Tipos y ejemplos de sensores electrónicos
Magnitud
Transductor
Característica
Posición lineal o
angular
Potenciómetro
Analógica
Encoder
Digital
Transformador diferencial
de variación lineal
Analógica
Galga extensiométrica
Magnetoestrictivos
Magnetorresistivos
LVDT
Analógica
A/D
Analógica
Analógica
Dinamo tacométrica
Analógica
Encoder
Detector inductivo
Servo-inclinómetros
Digital
Digital
A/D
Desplazamiento y
deformación
Velocidad lineal y
angular
60
Aceleración
RVDT
Giróscopo
Analógica
Acelerómetro
Analógico
Servo-accelerómetros
Fuerza y par
(deformación)
Presión
Caudal
Galga extensiométrica
Analógico
Triaxiales
Membranas
Piezoeléctricos
Manómetros Digitales
Turbina
Magnético
Termopar
RTD
Termistor NTC
A/D
Analógica
Analógica
Digital
Analógica
Analógica
Analógica
Analógica
Analógica
D
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
Temperatura
S
O
D
VA
Fuente: www.wikipedia.org
2.3.3 DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN Y CONTROL.
2.3.3.1 EL CONTACTOR.
Un contactor es un dispositivo con capacidad de cortar la corriente eléctrica
de un receptor o instalación con la posibilidad de ser accionado a distancia, que
tiene dos posiciones de funcionamiento: una estable o de reposo, cuando no
recibe acción alguna por parte del circuito de mando, y otra inestable, cuando
actúa dicha acción. Este tipo de funcionamiento se llama de "todo o nada".
61
Figura 2.10. a) Contactor. b) Esquema del contactor.
Fuente: http://tegnologiasdelaautomatizacion.blogspot.com
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
Clasificación del Contactor
D
S
O
D
VA
1. Contactores electromagnéticos. Su accionamiento se realiza a través de un
electroimán.
2. Contactores electromecánicos. Se accionan con ayuda de medios
mecánicos.
3. Contactores neumáticos. Se accionan mediante la presión de un gas.
4. Contactores hidráulicos. Se accionan por la presión de un líquido.
Aspectos constructivos de un Contactor Magnético
•
Contactos principales: Son los destinados a abrir y cerrar el circuito de
potencia. Están abiertos en reposo.
•
Contactos auxiliares: Son los encargados de abrir y cerrar el circuito de
mando. Están acoplados mecánicamente a los contactos principales y
pueden ser abiertos o cerrados.
62
•
Bobina: Elemento que produce una fuerza de atracción (FA) al ser
atravesado por una corriente eléctrica. Su tensión de alimentación puede
ser de 12, 24 y 220V de corriente alterna, siendo la de 220V la más usual.
•
Armadura: Parte móvil del contactor. Desplaza los contactos principales y
auxiliares por la acción (FA) de la bobina.
•
Núcleo: Parte fija por la que se cierra el flujo magnético producido por la
bobina.
•
S
O
D
V
Resorte: Es un muelle encargado de devolver
losA
contactos a su posición
R
E
S
E
de reposo una vez cesa la fuerzaR
FA.
S
HO
C
E
DER
Funcionamiento del Contactor
A los contactos principales se conectan al circuito que se quiere gobernar.
Asegurando el establecimiento y cortes de las corrientes principales y según el
número de vías de paso de corriente, será bipolar, tripolar, tetrapolar, etc.
realizándose las maniobras simultáneamente en todas las vías.
Los contactos auxiliares son de dos clases abiertos y cerrados. Estos
forman parte del circuito auxiliar del contactor y aseguran las autoalimentaciones,
los mandos, enclavamientos de contactos y señalizaciones en los equipos de
automatismo.
Cuando la bobina del contactor queda excitada por la circulación de la
corriente, mueve el núcleo en su interior y arrastra los contactor principales y
auxiliares, estableciendo a través de los polos el circuito entre la red y el receptor.
Este arrastre o desplazamiento puede ser:
•
Por rotación, pivote sobre su eje.
63
•
Por traslación, deslizándose paralelamente a las partes fijas.
•
Combinación de movimientos, rotación y traslación.
Cuando la bobina deja de ser alimentada, abre los contactos por efecto del
resorte de presión de los polos y del resorte de retorno de la armadura móvil.
La bobina está concebida para resistir los choque mecánicos provocados
por el cierre y la apertura de los contactos y los choques electromagnéticos
S
O
D
VA
debidos al paso de la corriente por sus espiras, con el fin de reducir los choques
R
mecánicos la bobina o circuito magnético, a veces los dos se montan sobre
amortiguadores.
SE
E
R
S
HO
C
E
R desde diferentes puntos, los pulsadores de marcha se
Si se debe
DEgobernar
conectan en paralelo y el de parada en serie.
Simbología y Referenciado de Bornes
Los bornes de conexión de los contactores se nombran mediante cifras o
códigos de cifras y letras que permiten identificarlos, facilitando la realización de
esquemas y las labores de cableado.
•
Los contactos principales se referencian con una sola cifra, del 1 al 16.
•
Los contactos auxiliares están referenciados con dos cifras. Las cifras de
unidades o cifras de función indican la función del contacto:
 1 y 2, contacto normalmente cerrados (NC).
 3 y 4, contacto normalmente abiertos (NA).
 5 y 6, contacto de apertura temporizada.
 7 y 8, contacto de cierre temporizado.
64
•
La cifra de las decenas indica el número de orden de cada contacto en el
contactor. En un lado se indica a qué contactor pertenece.
•
Las bobinas de un contactor se referencian con las letras A1 y A2. En su
parte inferior se indica a qué contactor pertenece.
•
El contactor se denomina con las letras KM seguidas de un número de
orden.
R
SE
E
R
S
Elección de un Contactor Electromagnético
S
O
D
VA
HO
C
E
R las siguientes características del receptor:
Es necesario E
Dconocer
•
La tensión nominal de funcionamiento, en voltios (V).
•
La corriente de servicio (Ie) que consume, en amperios (A).
Tabla 2.2. Características de (Pm) y (Ie) de un contactor electromagnético.
Potencia Mecánica (Pm) (kW)
Corriente de Servicio (Ie) (A)
220V
380V
3
2
4
2.5
6
3.5
8.5
5
11
6.5
14.5
8.5
18
11.5
25
15.5
35
21
39
23
51
30
73.5
44
0.75
1.1
1.5
2.2
3
4
5.5
7.5
10
11
15
22
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Contactor
65
La naturaleza y la utilización del receptor, o sea, su categoría de servicio.
Tabla 2.3. Categoría de servicio del receptor de un contactor electromagnético.
Categoría de Servicio
AC1
AC2
AC3
AC4
Ic/Ie
1
2.5
1
6
Factor de Potencia
0.95
0.65
0.35
0.35
S
O
D
VA
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Contactor
R
SE
E
R
S
Los pasos a seguir para la elección de un contactor son los siguientes:
HO
C
E
1. Obtener la corriente
DERde servicio (Ie) que consume el receptor.
2. A partir del tipo de receptor, obtener la categoría de servicio.
3. A partir de la categoría de servicio elegida, obtener la corriente cortada (Ic) con
la que se obtendrá el calibre del contador.
Además, hay que considerar la condición del factor de potencia, ya que, en
el caso de los circuitos de alumbrado con lámparas de descarga (vapor de
mercurio, sodio) con factor de potencia 0,5 (sin compensar), su categoría de
servicio es AC3, aunque por su naturaleza debería ser AC1. Mientras que si
estuviera compensado a 0,95 su categoría sería AC1.
Aplicaciones
Las aplicaciones de los contactores, en función de la categoría de servicio,
son:
66
Tabla 2.4. Aplicaciones en función de la categoría de servicio de los contactores.
Categoría de
Servicio
AC1
AC2
Aplicaciones
Cargas puramente resistivas para calefacción eléctrica
Motores asíncronos para mezcladoras, centrífugas
Motores asíncronos para aparatos de aire acondicionado,
compresores, ventiladores
Motores asíncronos para grúas, ascensores
AC3
AC4
S
O
D
VA
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Contactor
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
2.3.3.2. EL RELÉ.
D
Un relé es un sistema mediante el cual se puede controlar una potencia
mucho mayor con un consumo en potencia muy reducido.
Tipos de Relé
•
Relés electromecánicos
•
Convencionales.
•
Polarizados.
•
Relé inversor.
•
Relés híbridos.
•
Relés de estado sólido.
67
Estructura del Relé
Figura 2.11. Diagrama de Bloque de un relé.
Fuente: www.electronicafacil.net/tutoriales/El-rele.php
S
O
D
VAgeneral de un relé los
En general, podemos distinguir en el esquema
R
E
S
E
R
siguientes bloques:
OS
H
C
RE
E
D
• Circuito de entrada, control o excitación.
•
Circuito de acoplamiento.
•
Circuito de salida, carga o maniobra, constituido por:
a. Circuito excitador.
b. Dispositivo conmutador de frecuencia.
c. Protecciones.
Característica del Relé
Las características generales de cualquier relé son:
•
El aislamiento entre los terminales de entrada y de salida.
•
Adaptación sencilla a la fuente de control.
68
•
Posibilidad de soportar sobrecargas, tanto en el circuito de entrada como en
el de salida.
•
Las dos posiciones de trabajo en los bornes de salida de un relé se
caracterizan por:
a. En estado abierto, alta impedancia.
S
O
D
VA
b. En estado cerrado, naja impedancia.
.
R
SE
E
R
S
Para los relés de estado sólido se pueden añadir:
•
•
HO
C
E
Gran número
de conmutaciones y larga vida útil.
DER
Conexión en el paso de tensión por cero, desconexión en el paso de
intensidad por cero.
•
Ausencia de ruido mecánico de conmutación.
•
Escasa potencia de mando, compatible con TTL y MOS.
•
Insensibilidad a las sacudidas y a los golpes.
•
Cerrado a las influencias exteriores por un recubrimiento plástico.
2.3.3.3. RELÉS POLARIZADOS.
Llevan una pequeña armadura, solidaria a un imán permanente. El extremo
inferior puede girar dentro de los polos de un electroimán y el otro lleva una
cabeza de contacto. Si se excita al electroimán, se mueve la armadura y cierra los
69
contactos. Si la polaridad es la opuesta girará en sentido contrario, abriendo los
contactos ó cerrando otro circuito (ó varios).
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
Figura 2.12. a) Relé polarizado. b) Diagrama Esquemático.
HO
C
E
ER
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Rel %C3 %A9
D
2.3.3.4. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Y DE TENSIÓN.
Los transformadores de corriente (CT’s) y transformadores de tensión
(PT’s) son una clasificación de los llamados transformadores de instrumentos
empleados en los sistemas de protección y medición de las S/E.
Los transformadores de instrumentos son dispositivos electromagnéticos
cuya función principal es reducir o escalar, las magnitudes de tensión y corriente
que se utilizan para la protección y medición de los diferentes circuitos de una
subestación, o sistema eléctrico en general.
La razón de su utilización es que los aparatos de medición y protección que
se montan sobre los tableros de una subestación, no están construidos para
soportar grandes tensiones, ni grandes corrientes.
Con el objeto de disminuir el costo y los peligros de las altas tensiones en
los circuitos de control y protección, se dispone de los llamados transformadores
de corriente y tensión que representan a escalas muy reducidas, las grandes
magnitudes de tensión y de corriente respectivamente. Normalmente estos
70
Transformador se construyen con sus secundarios para corrientes de 5 amperios y
tensiones de 120 voltios.
Transformadores de Corriente
Son instrumentos en los que la corriente secundaria, de control de las
condiciones normales de operación, es prácticamente proporcional a la corriente
S
O
D
VA
primaria aunque ligeramente desfasada.
R
E
S
E
Los CT’s se conectan en serie
R con la línea, mientras que los PT’s
S
O
transformadores tensión, C
se H
conectan en paralelo, entre dos fases o entre fase y
E
R
E
Dsi representa un concepto de dualidad entre los Transformador de
neutro. Esto en
corriente y de tensión que se pueden generalizar en la tabla 2.5.
Tabla 2.5. Equivalencias de funciones en el transformador de instrumento.
Concepto
Tensión
Corriente
La carga se determina por:
Causa de error:
La carga secundaria aumenta
cuando
Conexión del transformador a
la línea
Conexión de los aparatos al
secundario
Transformador
Potencial
Corriente
Constante
Variable
Variable
Corriente
Corriente
Tensión
Caída de tensión en
Corriente derivada en
serie
paralelo
Z2 disminuye
Z2 aumenta
En paralelo
En serie
En paralelo
En serie
Fuente: http://html.rincondelvago.com/transformador-de-corriente.html
71
A continuación el estudio por separado de las características de estos
transformadores. Ambos pueden utilizarse para la protección medición, o bien
para los dos casos simultáneamente siempre y cuando las potencias y clases de
precisión sean adecuadas a la función que desarrollen.
Complementaremos el estudio con las definiciones adoptadas por la Norma
Venezolana COVENIN y
la norma ANSI distinguiendo la
referencia y
posteriormente entraremos en detalles entre las normas y sus equivalencias.
S
O
D
VA
Desarrollan dos tipos de función: Transformar la corriente a valores
ER
S
E
Ry baja tensión.
conectados a los circuitos de alta, media
S
O
CH
E
R
E
D
El primario del transformador se conecta en serie con
manejables por los relés y aislar los instrumentos de protección y medición
el circuito por
controlar y el secundario se conecta en serie con la bobinas de corriente de los
aparatos de medición y de protección que requieren ser energizados. (Stephen J.
Chapman, 2005).
Elección de Transformadores de Corriente
Para el correcto funcionamiento de una instalación, es conveniente estudiar
con detalle la elección del transformador de corriente, recordando los siguientes
puntos:
•
Tipo de instalación interior o intemperie. Se debe tener en cuenta la altitud,
para valores superiores a 1000 m. sobre el nivel del mar.
•
Nivel de aislamiento. Recomendaciones que se deben elegir de acuerdo a
los valores indicados en las diversas normas.
72
•
Regulación de transformación nominal, recordando que se pueden recurrir
a la doble o triple relación y a la gama extendida, en caso necesario.
•
Clase de precisión, de acuerdo con las diversas normas.
•
Potencia nominal, de acuerdo con las diversas normas. Recomendando no
elegir una potencia excesiva. Si hay mucha diferencia entre la potencia
nominal y la potencia del aparato a instalar, se puede colocar una
resistencia en serie.
•
•
S
O
D
VA
Factor nominal de seguridad (en caso necesario).
R
E
S
E
R
OSy dinámicas. No conviene excederse, pues en
H
Intensidades limitesC
térmicas
ERE estas exigencias pueden encarecer mucho el
ciertas D
circunstancias
transformador.
•
Frecuencia nominal.
•
Numero de secundarios (núcleos).
•
Detalles constructivos.
Clase de Precisión de Transformadores de Corriente
La clase de precisión se designa por el error máximo admisible, en por
ciento que el transformador puede introducir en la medición operando con su
corriente nominal primaria y la frecuencia nominal.
Las normas ANSI definen la clase de precisión de acuerdo con los
siguientes valores: 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.6, 1.2, 3 y 5, cada clase de precisión
73
especificada debe asociarse con una o varias cargas nominales de precisión, por
ejemplo 0.5 de precisión con una carga de 50VA.
Según el uso que se le da al transformador, se recomiendan las siguientes
precisiones, considerando que a precisiones más bajas corresponden precios de
transformador más altos para una misma tensión y relación de transformación
(RT).
Clase
0.1
0.2 a
0.3
0.5 a
0.6
1.2
3a5
S
O
D
Tabla 2.6. Precisiones normalizadas en transformador
VA de corriente.
R
E
S
E
R
OS Utilización
H
C
E para medición y calibraciones de laboratorio
RAparatos
DE
Mediciones de laboratorio y alimentaciones para los vatímetros
alimentadores de potencia
Alimentadores para vatímetros de facturación de circuitos de distribución e
industriales
Alimentación a las bobinas de corriente de los aparatos de medición general
Alimentación a las bobinas de los relevadores de sobrecorriente
Fuente: http://html.rincondelvago.com/transformador-de-corriente.html
Los transformadores para medición están diseñados para que el núcleo se
sature para valores relativamente bajos de sobre corriente, protegidos de ésta
forma los instrumentos conectados al secundario del transformador.
Según la norma venezolana COVENIN 2140-86 la clase de precisión se
define como:
•
Clase de precisión: Es la designación aplicada a un transformador de
intensidad cuyos errores permanecen dentro de los limites especificados
para las condiciones de empleo especificadas.
74
•
Designación de la clase de precisión (índice de clase): La clase de
precisión de un transformador de intensidad se designa por un número
(índice de clase) igual al límite superior del error de intensidad admisible,
expresado en tanto por ciento, para la corriente primaria nominal y la carga
de precisión.
•
Clase de precisión normalizada: Las clases de precisión normalizadas de
S
O
D
VA
los transformadores de intensidad para medida serán los siguientes: 0.10.2-0.5-1-3.
•
ER
S
E
R clases de precisión especiales de los
Clase de precisión especial:
Las
S
O
H
E
transformadores
deC
intensidad para medida serán los siguientes: 0.2s-0.5s.
R
E
D
(Stephen J. Chapman, 2005).
Transformadores de Tensión
Son aparatos donde la tensión secundaria, dentro de las condiciones
normales de operación, es prácticamente proporcional a la tensión primaria,
aunque ligeramente desfasada.
Desarrollan dos funciones: transformar la tensión y aislar los instrumentos
de protección y medición conectados a los circuitos de alta, madia y baja tensión.
El primario se conecta en paralelo con el circuito por controlar y el
secundario se conecta en paralelo con las bobinas de tensión de los diferentes
aparatos de medición y de protección que se requiere energizar.
Estos transformadores se fabrican para servicio interior o exterior, y al igual
que los de corriente, se fabrican con aislamientos de resinas sintéticas para
75
tensiones bajas o medias, mientras que para altas tensiones se utilizan
aislamientos de papel, aceite y porcelana.
2.3.3.5. PLC
Un PLC se puede definir como un sistema basado en un microprocesador.
Sus partes fundamentales son la Unidad Central de Proceso (CPU), la Memoria y
S
O
D
VA
el Sistema de Entradas y Salidas (E/S). La CPU se encarga de todo el control
R
interno y externo del PLC y de la interpretación de las instrucciones del programa.
SE
E
R
S
En base a las instrucciones almacenadas en la memoria y en los datos que lee de
HO
C
E
R o ROM y la memoria de lectura y escritura o RAM, La
memoria de solo
DElectura
las entradas, genera las señales de las salidas. La memoria se divide en dos, la
memoria ROM almacena programas para el buen funcionamiento del sistema.
La memoria RAM está conformada por la memoria de datos, en la que se
almacena la información de las entradas y salidas y de variables internas y por la
memoria de usuario, en la que se almacena el programa que maneja la lógica del
PLC.
El sistema de Entradas y Salidas recopila la información del proceso
(Entradas) y genera las acciones de control del mismo (salidas). Los dispositivos
conectadas a las entradas pueden ser Pulsadores, interruptores, finales de
carrera, termostatos, presostatos, detectores de nivel, detectores de proximidad,
contactos auxiliares, etc. Al igual, los dispositivos de salida son también muy
variados: Pilotos, relés, contactores, Drives o variadores de frecuencia, válvulas,
etc.
Clase de Precisión de Transformadores de Tensión
La clase de precisión de un transformador de tensión para medida, está
caracterizada por un número (índice de clase) que es límite del error de relación,
76
expresado en tanto por ciento, para la tensión nominal primaria estando
alimentado el transformador con la carga de precisión.
Esta precisión debe mantenerse para una tensión comprendida entre el
80% y el 120% de la tensión nominal con una carga comprendida entre el 125% y
el 100% de la carga de precisión. (Stephen J. Chapman, 2005).
S
O
D
Utilización
A
V
R
E
Laboratorio
S
E
R
S portátiles y contadores de precisión
Laboratorio,
Opatrones
H
C
E Contadores normales, aparatos de medida
DER
Aparatos para cuadro
Tabla 2.7. Precisiones normalizadas en transformador de tensión.
Clase
0.1
0.2
0.5
1
3
Para usos en los que no se requiera una mayor precisión
Fuente: http://garaje.ya.com/migotera/trafomedida.htm
2.3.4. MATERIALES AISLANTES.
Aunque los materiales conductores de corriente tales como los alambres de
cobre o aluminio, barras conductoras, conectores, etc.; constituyen los elementos
principales del equipo, circuitos y sistemas eléctricos, la aplicación práctica de la
electricidad sería imposible sin el uso de materiales aislantes. Estos son los
materias no conductores de corriente, o dieléctricos, que se emplean para
encerrar las partes que transportan la corriente, asegurando la operación correcta
de los circuitos, y reduciendo los peligros de la electricidad.
Existe una gran diversidad en orígenes y propiedades, muchos son de
origen natural como por ejemplo el papel, algodón, parafina, etc., otros naturales,
pero de origen inorgánico, como por ejemplo el vidrio, la porcelana, y las
77
cerámicas. Existen también materiales sintéticos como el silicón o compuestos a
base de silicones. (Stephen J. Chapman, 2005).
2.3.4.1. PROPIEDADES TÉRMICAS DE LOS MATERIALES AISLANTES.
Interesa considerar, principalmente, en las aplicaciones eléctricas de los
aislantes, las siguientes propiedades térmicas:
S
O
D
VA
R
a) Calor específico: es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado
SE
E
R
S
centígrado, la temperatura de un gramo de dicho material. En los materiales
HO
C
E
Rlo más elevado posible.
calor especifico
DEsea
destinados a aplicaciones eléctricas como aislantes, interesa siempre que el
b) Conductividad térmica: es la facilidad que un material presenta al paso del
calor. Cuando menor sea esta, con mayor dificultad permitirá la transmisión del
calor, generado en el conductor eléctrico por efecto Joule.
c) Inflamabilidad: Es la facilidad que tiene un material de para inflamarse.
d) Temperatura de seguridad: La gran mayoría de materiales aislantes
empleados en máquinas eléctricas, trabajan a temperaturas superiores a la del
ambiente, debido a las pérdidas de energía que producen, y que se manifiestan
en forma de energía calorífica. La elevación de la temperatura de los aislantes
altera sus características, disminuyendo su resistencia de aislamiento, su
rigidez dieléctrica y, también, su resistencia mecánica, además que aumenta su
facilidad para ser atacados por agentes químicos. (Stephen J. Chapman, 2005).
78
2.3.4.2. PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LOS MATERIALES AISLANTES.
Las principales propiedades que determinan la factibilidad d uso de un
material aislante son: La resistividad o resistencia específica, la tensión disruptiva,
la permitividad y la histéresis dieléctrica.
En adición a las propiedades dieléctricas se deben considerar también las
propiedades mecánicas y su capacidad para soportar la acción de agentes
S
O
D
VA
químicos, el calor y otros elementos presentes durante su operación. (Stephen J.
Chapman, 2005).
2.3.4.3.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
CLASIFICACIÓN
DER DE LOS
MATERIALES AISLANTES SEGÚN LA
TEMPERATURA DE SERVICIO.
La clasificación de los materiales aislantes para maquinas eléctricas con
relación a su estabilidad térmica cubre básicamente siete clases de materiales
aislantes que se usan por lo general, los cuales se muestran en la tabla 2.8:
Tabla 2.8. Temperatura de los materiales aislantes.
CLASE
TEMPERATURA
Y
90 C
A
105 C
E
120 C
B
130 C
F
155 C
H
180 C
CLASE
Mayor de 180 C
Fuente: Materiales Electro-mecánicos. Enciclopedia CEAC Electricidad. Ediciones CEAC Barcelona
(España), Segunda Edición 1977.
79
Una descripción de estos materiales:
CLASE Y.
Este aislamiento formado por combinaciones de materiales, tales como
algodón, seda y papel sin impregnar. Estos ofrecen una garantía para trabaja a
temperatura de 90º C.
CLASE A.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
como algodón,
DERseda y papel
S
O
D
VA
Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales
tales
con alguna impregnación o recubrimiento
cuando se sumergen dieléctricos líquidos tales como aceites. Otros materiales o
combinación de materiales que caigan dentro de estos límites de temperatura,
pueden caer dentro de esta categoría.
CLASE E.
Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales que
por experiencia o por pruebas, pueden operar temperaturas hasta de 5 ºC, sobre
la temperatura de los aislamientos Clase A.
CLASE B.
Este aislamiento consiste en materiales o combinaciones de materiales
tales como mica, fibra de vidrio, asbesto, etc. con algunas sustancias aglutinantes
donde puede haber otros materiales inorgánicos.
80
CLASE F.
Este aislamiento consiste en materiales o combinaciones de materiales
tales como mica, fibra de vidrio, asbestos, etc. con sustancias aglutinantes, así
como otros materiales o combinaciones de materiales no necesariamente
inorgánico.
S
O
D
VA
CLASE H.
R
SE
E
R
S
Este aislamiento consiste de materiales tales como el silicón, elastómero y
HO
C
E
sustancias aglutinantes
DER como son las resina y silicones apropiados.
combinaciones de materiales tales de mica, la fibra de vidrio, asbesto, etc. con
CLASE C.
Este aislamiento consiste materiales o combinaciones de materiales tales
como mica, la porcelana, vidrio, cuarzo con o sin aglutinantes.
2.3.4.4. TEMPERATURA LIMITE DE SERVICIO DE LOS MATERIALES
AISLANTES.
La clase térmica de los materiales aislantes, expuesta en el parágrafo
anterior, indican la temperatura máxima de servicio de estos materiales. Para
completar esta cuestión, deben definirse otros conceptos, relacionados con la
temperatura en el punto más caliente de una maquina o aparato, ya que en todos
los dispositivos eléctricos hay un calentamiento desigual en sus partes
constituyentes.
81
Temperatura del punto más caliente: es la temperatura que, como máximo,
puede alcanzarse en cualquier punto de la una maquina o de un aparato eléctrico.
Temperatura de ambiente máxima: para los efectos de calentamiento de
máquinas y aparatos, se tomara como una base una temperatura ambiente de
40ºC.
Valores máximos de aumento de temperatura: estos valores se obtienen
S
O
D
VA
restando los 40ºC correspondientes al valor de la temperatura ambiente máxima,
R
de la temperatura del punto más caliente. En la siguiente tabla se observaran los
SE
E
R
S
valores de aumento de temperatura según la clase térmica de los materiales.
HO
C
E
ER
D
Tabla 2.9. Temperatura límite de servicio de los materiales aislantes.
1
Clase de
Aislamiento
Y
A
E
B
F
H
2
3
4
Temp.
Ambiente
máxima ºC
40
40
40
40
40
40
Aumento
medio de
Temp. Sobre
el ambiente ºC
45
60
75
80
100
125
Temp.
Limite
media
ºC
85
100
115
120
140
165
5
Aumento
máximo de
Temp. En el
puntos más
caliente ºC
50
65
80
90
105
140
6
Temp.
máxima en
el punto más
caliente ºC
90
105
120
130
155
180
Fuente: Materiales Electro-mecánicos. Enciclopedia CEAC Electricidad. Ediciones CEAC Barcelona
(España), Segunda Edición 1977.
2.3.5.
MATERIALES
DE
IMPREGNACIÓN
Y
RECUBRIMIENTO
PARA
BOBINADOS DE MAQUINAS ELÉCTRICAS.
Después de realizados los bobinados sobre las maquinas eléctricas, estos
se impregnan y recubren de sustancias especiales, para mejorar sus propiedades
82
dieléctricas, para conglomerar los aislamientos sólidos, para hacerles perder sus
propiedades higroscópicas respecto a la humedad ambiente, para favorecer los
intercambios térmicos entre las distintas partes que constituyen los bobinados,
para proteger a estos contra los agentes exteriores tales como: vapores ácidos o
básicos y, finalmente, para compactarlos y hacer de esta forma que tenga una
mayor resistencia mecánica.
Para logar todos estos propósitos se utilizan barnices, es decir, líquidos
S
O
D
VA
más o menos viscosos que constan de materias resinas naturales o artificiales
R
disueltas en aceite, alcohol, etc. que al, extenderse sobre una superficie, se secan
SE
E
R
S
por evaporación, formando una cubierta lustrosa y resistente a la humedad.
HO
C
E
ER
Cuando a un barniz se le añade una materia colorante, recibe el nombre de
esmalte.
D
Ante todo cabe dividir los barnices aislantes, en dos grandes grupos:
barnices de impregnación y barnices de recubrimiento, llamados también bernices
de protección.
Los barnices de impregnación se diferencian de los barnices de
recubrimiento tanto en lo que se refiere a su composición como a las condiciones
que deban cumplir. Así, un barniz de impregnación debe penetrar en el interior de
los bobinados mientras que esta propiedad resulta secundaria en un barniz de
recubrimiento. Un barniz de impregnación ha de tener, ante todo, muy buenas
propiedades dieléctricas, mientras que un barniz de recubrimiento ha de ser
altamente resistente a la acción de la humedad, ácidos, bases, gases, etc. Por
otra parte, el barniz de recubrimiento ha de proporcionar una película que
constituya una superficie homogénea, libre de poros y elástica y que impida la
sedimentación o adhesión de partículas transportadas por el aire de refrigeración
de la máquina, sobre la superficie de los devanados. Por sus propias cualidades
específicas, la película de un barniz de recubrimiento, debe impedir la penetración
de elementos corrosivos en el interior de los bobinados.
83
Es decir, que no resulta acertado emplear un barniz de impregnación en
lugar de un barniz de recubrimiento ni a la recíproca, ya que cada uno de ellos ha
de cumplir su propia misión específica. De una manera general, se puede decir
que la aplicación de barnices aislantes en las maquinas eléctricas se efectúan
según el siguiente orden:
1.- Aplicación a fondo de un barniz de impregnación, cuya principal misión
es aumentar la propiedades dieléctricas de los materiales aislantes que recubren
S
O
D
VA
los conductores, bobinas, ranuras, etc. hasta tal punto que, muchas veces, los
R
materiales sólidos empleados en los bobinados actúan solamente como soporte y
SE
E
R
S
el barniz que los impregna es el que aporta propiedades dieléctricas.
HO
C
E
2.- Aplicación
DERposterior y en la superficie de los bobinados, de un barniz de
recubrimiento cuya misión fundamental es proteger los elementos que constituyen
el bobinado, de los agentes exteriores. Existen barnices de protección universales,
es decir que protegen contra todos los agentes exteriores y barnices de protección
especiales que solamente es resistente a un determinado agente o grupo de
agentes destructores. Naturalmente un barniz universal no es tan resistente a un
determinado agente.
2.3.5.1 CONSTITUCIÓN DE LOS BARNICES AISLANTES
Esencialmente un barniz aislante está constituido por tres elementos
fundamentales:
1.- Material aislante generalmente solido:
a) Resinas naturales (ámbar, copal, goma, laca, etc.)
b) Resinas artificiales (epoxidicas, alquìdicas, poliéster, silicón, etc.)
c) Asfalto
84
d) Ceras y parafina
2.- Sustancias disolvente del anterior:
a) Esencia de trementina o aguarrás (producto de destilación de las trementinas
naturales).
b) Benzoles (mezcla de hidrocarburos líquidos).
c) Benzinas (producto de la destilación fraccionada de petróleo, prolongada hasta
S
O
D
VA
200ºC).
R
d) Alcoholes (Productos obtenidos por destilación de sustancias azucaradas).
SE
E
R
S
e) Acetona (producto derivado de los residuos de la destilación de la madera).
HO
C
E
3.- SustanciasD
secante
ER para acelerar el proceso de secado:
a) aceites de linaza (obtenido en caliente, por prensado de los granos de lino
triturados y constituidos por una mezcla).
b) aceites de madera china (extraídos de las simientas de ciertos arboles de
extremo oriente, que se trituran y se prensan para obtener este producto.
Dada la gran variedad de materias que constituyen un barniz aislante y sus
posibles campos de aplicación, resulta muy difícil intentar una clasificación
racional de esta sustancia, pero intentaremos una clasificación teniendo en cuenta
el disolvente empleado y el material aislante del que están constituidos estos
barnices. De esta forma, se obtienen:
-
Barnices al aceite, con resinas naturales.
-
Barnices con resinas sintéticas.
-
Barnices al alcohol.
-
Barnices sin disolvente.
85
2.4. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS.
Aisladores: Material con escasa conductividad eléctrica utilizados para evitar
cortocircuitos, por lo general, forran a los conductores eléctricos. (Avelino Pérez
1998).
Aislamiento: Acción y resultado de evitar o disminuir la propagación de un
fenómeno físico, como el calor, el sonido o la electricidad, por medio de un
S
O
D
A en forma de campo
V
Bobina: Espiras de alambre arrollado que almacenan
energía
R
E
S
E
magnético. (http://unicrom.com/tut_bobina.asp).
R
OS
H
C
E
Conductores: Elemento
DER metálico capaz de conducir la electricidad cuando es
material aislante. (http://wordreference.com/definicion/aislamiento).
sometido a una diferencia de potencial eléctrico. (Código Eléctrico Nacional CEN).
Cuña: Pieza simple de madera o de metal que se utiliza para dividir cuerpos
sólidos o dos planos inclinados. (http://es.wikipedia.org/wiki/cu%C3%B1a).
Curado: Proceso mediante el cual, por medio de elevación de temperatura, se
logra aumentar la resistencia eléctrica de resinas utilizadas como material aislante.
(Izea y Montero).
Hardware: Todas las partes tangibles de un sistema. (Introducción a la ciencia de
la computación. Behrouz A. Forouzan, 2003).
Horma:
Molde
con
que
se
fabrica
o
se
da
forma
a
una
cosa.
en
el
aire.
(http://wordreference.com/espt/horma).
Humedad:
Cantidad
vapor
de
agua
presente
(http://es.wikipedia.org/wiki/humedad).
Interfaz: Es aquella que define la comunicación entre dos elementos, tales como,
software-hardware o un usuario. (Izea y Montero).
86
Moldeado: Dar forma a una materia mediante una pieza que actúa como molde.
(http://wordreference.com/definicion/moldeado).
Pirómetro: Aparato de mecanismo óptico utilizado para realizar mediciones
precisas
de temperatura sin
contacto. (http://pce-iverica.es/instrumento-de-
medida/metros/pirometros.htm).
PLC: (Controlador Lógico Programable), dispositivo electrónico muy usados en
automatización industrial. (Introducción a los autómatas programables. Juan
S
O
D
A regular su propia
Sistemas de control: Conjunto de componentes R
queVpueden
E
Sun funcionamiento predeterminado,
E
conducta o la de otro sistema, con el finR
lograr
OS
H
C
de modo que se reduzcan
las
probabilidades
de fallas y se obtengas resultados
E
R
E
D
Domingo Peña, 2003).
deseados. (Sistemas de control automático. Benjamín C. Kuo, 1996).
Slots: Es un elemento de la placa base de un ordenador que permite conectar a
ésta una tarjeta adaptadora adicional o de expansión, la cual suele realizar
funciones de control de dispositivos periféricos adicionales, tales como monitores,
impresoras o unidades de disco. (http://es.wikipedia.org/wiki/slots).
Sobrecorriente: Corriente excesiva en relación a la corriente nominal de
operación de un equipo, o sobre la capacidad de corriente de un conductor.
(Código Eléctrico Nacional CEN).
Software: Es la suma total de los programas de cómputo, procedimientos, reglas,
documentación y datos asociados que forman parte de las operaciones de un
sistema. (Ingeniería de software. Ian Sommerbill, 2005).
Tablero: Superficie en la cual se encuentran los controles e indicadores de
mandos de un sistema. (Izea y Montero).
Torsión: Es la solicitación que se presenta cuando se aplica un momento sobre el
eje
longitudinal
de
un
elemento
constructivo
o
(http://es.wikipedia.org/wiki/Torsi%C3%B3n_mec%C3%A1nica).
87
prismamecanico.
2.5. OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES.
Nombre de la variable: Tablero para el calentamiento de rotores.
Definición conceptual de la variable: Es un equipo industrial compuesto por
dispositivos internos que conforman un sistema capaz de ejecutar acciones para la
realización del trabajo de calentamiento de rotores de manera controlada, pueden
estar automatizados con PLC como elemento de control o, en una forma más
S
O
D
VA
actual, mediante una computadora personal. Así mismo, verifica como se está
llevando a cabo dicho proceso de calentamiento.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
el calentamiento
DEdeRrotores de generadores síncronos reparados en TurboCare,
Definición operacional de la variable: El esquema operacional del tablero para
C.A., consiste en automatizar la acción de calentamiento de rotores, diseñar el
hardware requerido y desarrollar el software adecuado a las especificaciones del
mismo, para la realización de tres importantes procesos como lo son: secado de
devanados, curado de resina y moldeado de devanados y así, evaluar su
comportamiento, monitoreando, midiendo y controlando continuamente las
variables presentes en estos equipos. Estos datos, se trasmitirán y serán
reflejados en una pantalla para el posterior análisis de resultados.
Cuadro de variable: a continuación se muestra la tabla 2.10 donde se define la
operacionalización de las variables, donde se encontraran detalladamente las
dimensiones e indicadores del sistema.
88
Tabla 2.10. Cuadro de Variables
OBJETIVO GENERAL
Variable
Tablero para el calentamiento de rotores de generadores
síncronos
Objetivos
Diseñar un tablero para el calentamiento de rotores de generadores síncronos
reparados en TurboCare, C.A.
S
O
H
EC
DER
Describir los procesos de
moldeado de devanados,
curado de resina y
secado de devanados,
utilizados en rotores de
generadores síncronos.
S
O
D
VA
Dimensiones
Indicadores
R
E
S
RE
Rotores de generadores síncronos:
• Tipo de rotor
Rotor devanado
Capacidad (MW)
Proceso de secado de devanados:
• Rango de temperatura (45-60 ºC)
• Corriente de inyección requerida (A)
Procesos de secado
de devanados,
curado de resina y
moldeado de
devanados
Proceso de curado de resina:
• Rango de temperatura (90-120 ºC)
• Corriente de inyección requerida (A)
• Resistencia de Aislamiento (ohm)
Proceso de moldeado de devanados:
• Rango de temperatura (120-180 ºC)
• Corriente de inyección requerida (A)
• Resistencia de Aislamiento (ohm)
Fuente: Izea y Montero
89 Tabla 2.10. Cuadro de Variables
OBJETIVO GENERAL
Objetivos
Diseñar un tablero para el calentamiento de rotores de generadores síncronos
reparados en TurboCare, C.A.
Variable
S
O
D
VA
Dimensiones
Indicadores
Describir los procesos de
moldeado de devanados,
curado de resina y
secado de devanados,
utilizados en rotores de
generadores síncronos.
Tablero para el calentamiento de rotores de generadores
síncronos
Observación en el Taller de TurboCare, C.A.
HOS
C
E
R
DE
Revisar en normativa
vigente el protocolo
establecido para el
proceso de calentamiento
de rotores de
generadores síncronos.
R
E
S
RE
•Entrevistas Estructuradas
Procesos de secado
de devanados,
curado de resina y
moldeado de
devanados
•Equipos mecánicos utilizados
•Duración del proceso ( Hrs)
• Normativa utilizada en mantenimiento y pruebas
realizadas a rotores de generadores por parte de la
compañía petróleos mexicanos, abalada por IEEE.
Norma Vigente
• IEEE std. 1-1986
•IEEE std. 112-1996
Fuente: Izea y Montero
90 Tabla 2.10. Cuadro de Variables
Diseñar un tablero para el calentamiento de rotores de generadores síncronos
reparados en TurboCare, C.A.
OBJETIVO GENERAL
Variable
Determinar los
requerimientos técnicos y
operativos que debe
satisfacer el tablero para
el calentamiento de
rotores de generadores
síncronos reparados en
TurboCare, C.A.
Dimensiones
R
E
S
RE
- Temperatura deseada en cada sub-proceso (°C)
- Especificaciones técnicas del PLC
Requerimientos
técnicos y operativos
• Requerimientos operativos
- Rango de variación de corriente (A)
- Rango de variación de temperatura (°C)
- Instrumentos de medición
• Dimensiones del gabinete (m)
• Protecciones eléctricas
Hardware para el
tablero
Fuente: Izea y Montero
91 S
O
D
VA
Indicadores
• Requerimientos técnicos
- Corriente de inyección requerida (A)
S
O
H
EC
DER
Diseñar el hardware
requerido para el tablero
para el calentamiento de
rotores de generadores
síncronos reparados en
TurboCare, C.A
Tablero para el calentamiento de rotores de generadores
síncronos
Objetivos
• Selección de dispositivos de control
• Selección de Instrumentos de medición
Tabla 2.10. Cuadro de Variables
Diseñar un tablero para el calentamiento de rotores de generadores síncronos
reparados en TurboCare, C.A.
OBJETIVO GENERAL
Variable
Objetivos
Indicadores
Tablero para el calentamiento de rotores de generadores
síncronos
Desarrollar el software
adecuado a las
especificaciones del
tablero para el
calentamiento de rotores
de generadores síncronos
reparados en TurboCare,
C.A.
R
E
S
RE
S
O
H
EC
DER
• Programación del PLC
- Configuración de Módulos.
- Instrucciones de Programación
- Simulación del Proceso
Software para el
tablero
Fuente: Izea y Montero
92 S
O
D
VA
Dimensiones
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
CAPÍTULO III
Marco Metodológico
93
CAPITULO III
MARCO METODOLÓGICO
En esta parte del proceso de investigación, se plantean una variedad de
pasos para la obtención de los datos necesarios para la verificación de la
categoría y abarca los siguientes aspectos: tipo de investigación, diseño de la
investigación, población y muestra, técnicas e instrumentos de recolección de
S
O
D
VA
datos y por último, se presenta el procedimiento que se siguió para el desarrollo
del estudio.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN.
El tipo de investigación se refiere al grado de profundidad con que se
aborda un objeto o fenómeno. Aquí se indicará si se trata de una investigación
exploratoria, descriptiva, correlacional o explicativa.
Con el propósito de identificar el marco metodológico de la investigación se
parte de la teoría suministrada por varios autores y que se adapte de la mejor
forma al contexto de la investigación.
De acuerdo con Tamayo y Tamayo, (2009, pág. 52) “Una investigación
descriptiva comprende la descripción, registro, análisis e interpretación de la
naturaleza actual, y la comprensión o proceso de los fenómenos. El enfoque se
hace sobre conclusiones dominantes o sobre cómo una persona, grupo o cosa se
conduce o funciona en el presente. La investigación descriptiva trabaja sobre
realidades de hechos, y su característica fundamental es la de presentarnos una
interpretación correcta.”
94
Por su parte, Arias (2006, pág. 24) señala que “La investigación descriptiva
consiste en la caracterización de un hecho, fenómeno, individuo o grupo, con el fin
de establecer su estructura o comportamiento. Los resultados de este tipo de
investigación se ubican en un nivel intermedio en cuanto a la profundidad de los
conocimientos se refiere.”
Por lo anteriormente expuesto y tomando en cuenta el objetivo general de
S
O
D
VA
esta investigación, queda claro que el siguiente trabajo especial de grado se
R
enmarca dentro de la investigación descriptiva, ya que se especifica paso a paso
SE
E
R
S
las actividades que engloban el proceso de calentamiento de rotores de
HO
C
E
TurboCare, C.A.,E
D asíRcomo también los materiales y/o equipos utilizados.
generadores síncronos mediante inyección de corriente realizado por la empresa
De igual forma, se realizó una descripción de los componentes que
conforman el tablero para el calentamiento de rotores de generadores síncronos y
de los equipos a utilizar.
3.2. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN.
Se puede definir el diseño de investigación como un plan estructurado de
acción que, en función de unos objetivos básicos, está orientado a la obtención de
información o datos relevantes a los problemas planteados.
Una investigación no experimental, según Hernández, Fernández y Baptista
(2006, pág. 205) “Es aquella que se realiza sin manipular deliberadamente las
variables. Es decir, se trata de estudios donde no se hacen variar en forma
intencional las variables independiente para ver su efecto sobre otras variables.”
95
Bajo estas condiciones podemos decir que este estudio es no experimental,
ya que en esta investigación no se modifican ni manipulan datos correspondientes
a las variables de estudio.
Hernández, Fernández y Baptista (2006, pág. 208) exponen que “Los
diseños de investigación transversal recolectan datos en un solo momento, en un
tiempo único. Su propósito es describir variables y analizar su incidencia e
interrelación en un momento dado.”
S
O
D
VA
Por este motivo, podemos decir que estaR
investigación
es transversal,
E
S
R
debido a que se recolectaron los datos
enE
un solo momento, en un tiempo único.
S
O
H y analizar su incidencia e interrelación en un
Cvariables
Su propósito fue describir
E
R
DE El periodo único de recolección de datos para esta
momento determinado.
investigación fue de cuatro (04) semanas y el lugar correspondiente fue el taller de
mantenimiento y reparación de generadores de la empresa TurboCare, C.A.
Por su parte, Arias (1999, pág. 48) afirma que la investigación de campo
“Consiste en la recolección de datos directamente de la realidad donde ocurren los
hechos, sin manipular o controlar variable alguna.”
Basado en el concepto anterior, se afirma que la investigación es de campo
ya que la recolección de gran parte de los datos fue extraída directamente del
taller de mantenimiento y reparación de generadores de la empresa TurboCare,
C.A.
96
3.3. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS.
Los métodos de recolección de datos, son todos aquellos procedimientos
necesarios para la obtención de la información necesaria que permita lograr el
desarrollo de la investigación.
Según Arias (1999, pág. 25) “Las técnicas de recolección de datos son
las distintas formas o maneras de obtener la información. Son ejemplos de
técnicas; la observación directa, la encuesta en sus dos modalidades (entrevista o
S
O
D
A recoger y almacenar
instrumentos son los medios materiales que se emplean
Vpara
R
E
S
E
la información. Ejemplo: fichas, formatos
de cuestionario, guías de entrevista,
R
OSu opinión, entre otros.” Particularmente, se
H
grabadores, escalas de
actitudes
C
E
R
E
D
definirán a continuación las técnicas empleadas durante la realización de este
cuestionario), el análisis documental, análisis de contenido, y otros. Los
trabajo especial de grado.
Según Hurtado (2000, pág. 38) “La observación es el método fundamental
de obtención de datos de la realidad, toda vez que consiste en obtener
información mediante la percepción intencionada y selectiva, ilustrada e
interpretativa de un objeto o de un fenómeno determinado. Existen diversos tipos y
clases de observación, éstos dependen de la naturaleza del objeto o fenómeno a
observar, y de las condiciones en que ésta se ha de llevar a cabo, modalidad,
estilo e instrumentos.”
Para la recolección de información del presente trabajo, se optaron por
aquellos que a juicio del investigador y de acuerdo al problema planteado,
ayudaron a obtener a información necesaria de manera organizada y precisa. Las
técnicas utilizadas se describen a continuación:
97
•
Observación Documental
Una de las técnicas utilizada durante el proceso de investigación fue la de
la observación documental o bibliográfica, que de acuerdo a lo expuesto por
Babaresco (2006, pág. 99), “Se apoya en los distintos tipos de notas de contenido,
información general, resumen, paráfrasis, comentario o confrontación directa
(textual o literal), entrevista personal, mixta y cruzada así como en las técnicas de
citas de pie de página y en bibliografía final de trabajos de investigación.”
S
O
D
VA
Para esta investigación se hizo necesaria la consulta de diversos tipos de
R
fuentes de información tales como: textos y manuales relacionados con los
SE
E
R
S
procesos de calentamiento del rotor, así como también normas, catálogos de
técnicos
HO para comprender las características y
C
E
R equipos que conforman el tablero para calentamiento de
funcionamiento
DdeElos
fabricantes
e
informes
rotores de generadores síncronos.
Dentro de los textos más relevantes utilizados se pueden nombrar:
-
Documentos:
Manual de procedimientos, instrucciones y formularios de generadores
(MA-GEN).
-Normas:
Normativa utilizada en mantenimiento y pruebas realizadas a rotores de
generadores por parte de la compañía petróleos mexicanos, abalada por
IEEE.
IEEE STD. 112-1996
IEEE STD. 1-1986
98
•
Observación Indirecta
La observación indirecta según Eyssautiers (2008, pág 223), “Consiste en
tomar nota de un hecho que sucede ante los ojos de un observador entrenado,
midiendo el comportamiento externo del individuo en sociedad dentro de una
organización; en algunos casos fuera de institución.”
En esta investigación se lleva a cabo la observación indirecta ya que se
S
O
D
VA
proceso actual de calentamiento del rotor por medio
de
la inyección de corriente
R
E
S
EDicho documento es el manual de
R
realizado en la empresa TurboCare,
C.A.
S
Hy O
C
procedimientos, instrucciones
formularios de generadores (MA-GEN), el cual es
E
R
E
D
propiedad de la empresa TurboCare, C.A. y posee información confidencial la cual
revisó un documento que contiene información acerca de la ejecución interna del
no puede ser del todo descrita.
•
Observación Directa
Según Eyssautiers (2008, pág 223), esta observación “Consiste en
interrelaciones directas con el medio y con la gente que lo forma para realizar los
estudios de observación de campo. El convivir con los grupos sociales otorgue al
investigador el material de estudio para su trabajo.”
En la presente investigación se hizo necesaria la observación directa para
presenciar en tiempo real el desarrollo del proceso actual de calentamiento del
rotor mediante la inyección de corriente ejecutado por la empresa TurboCare, C.A.
•
Entrevista Estructurada
Por su parte Eyssautiers (2008, pág 222) “La entrevista estructurada o
dirigida es aquella que requiere de una serie de preguntas preparadas de
99
antemano por el entrevistador; la entrevista deja la iniciativa total al entrevistado,
permitiéndole que se manifieste en forma espontánea”.
En la presente investigación se aplicaron entrevistas estructuradas al
personal especializado que ejecuta sus labores de trabajo en el taller de
generadores de la empresa TurboCare, C.A., con la finalidad de obtener la mayor
cantidad posible de información requerida para el logro del objetivo de ésta
investigación.
R
SE
E
R
S
3.4. POBLACIÓN Y MUESTRA.
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
Se define población como al conjunto de elementos o eventos a fines en
una o más características tomadas como una totalidad o sobre la cual se garantiza
las conclusiones de la investigación.
De acuerdo con lo anteriormente dicho, para esta investigación se toma
tanto para población como para muestra los generadores síncronos de
capacidades comprendidas aproximadamente en un rango entre 40 y 120 MW
que son reparados por la empresa TurboCare, C.A.
3.5. FASES DE LA INVESTIGACIÓN.
Las actividades requeridas para la consecución de los objetivos planteados
en este trabajo especial de grado se han dividido en cuatro (04) fases. Estas fases
conllevan a la realización de actividades propias, que se detallan de acuerdo a la
importancia y al énfasis que se debe hacer en ciertos aspectos. A continuación se
describen dichas fases:
100
FASE I. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE CALENTAMIENTO DEL ROTOR.
En esta fase se recolectó y analizó la información necesaria con respecto al
proceso de calentamiento del rotor por medio de la inyección de corriente. Para
esto fue necesario acudir a la empresa TurboCare, C.A., para visualizar los
respectivos trabajos de campo que describe el proceso anteriormente citado.
a)
Se revisó documentación teórica y técnica
b)
Se entrevistó a expertos del proceso para levantamiento de
información
c)
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
Se visualizó e identificó los equipos utilizados
HO
C
E
ER
D
FASE II. DEFINICIÓN PARÁMETROS DEL SISTEMA.
En esta fase de la investigación se acude a la normativa vigente establecida
que determina reglas a cumplir y así a partir de ahí poder definir los diferentes
parámetros técnicos y operativos del sistema con el fin de estar apegados a las
normas internacionales que controlan ciertas variables involucradas con el
proceso de calentamiento del rotor por medio de la inyección de corriente.
a)
Se definió los parámetros técnicos
b)
Se definió los parámetros operacionales
FASE III. SELECCIÓN DE EQUIPOS.
Luego de definir los parámetros del sistema, se seleccionó en esta fase los
equipos a utilizar para satisfacer las especificaciones técnicas y operativas del
sistema.
101
a)
Se seleccionó los equipos de medición
b)
Se seleccionó de equipos de protección
c)
Se seleccionó los materiales a utilizar para el diseño del gabinete
d)
Se seleccionó el tipo de PLC
FASE IV. DISEÑO DEL TABLERO PARA EL CALENTAMIENTO DE ROTORES.
S
O
asociado
D
VA
En esta fase básicamente se realizó el diseño circuital del tablero para el
ER
especificaciones previamente definidas del E
sistema.
S
R
S
O
H
C
E
R
a) Se realizó
DE el diseño circuital
calentamiento de
rotores
y
se
desarrolló
b) Se desarrolló del software
102
el software
a las
S
O
D
VA
ER IV
S
CAPÍTULO
E
SR
HO
C
E
ER
D
Analisis
e Interpretación de
Resultados
103
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
4.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE REPARACIÓN DE DEVANADOS
ROTÓRICOS
DE
GENERADORES
SÍNCRONOS
EJECUTADO
EN
TURBOCARE, C.A.
S
O
D
VA
R
El proceso de reparación de rotores de generadores síncronos se lleva a
SE
E
R
S
cabo por una serie de pasos que hablaremos a continuación brevemente ya que
HO
C
E
estamos hablando
DEdeRla rehabilitación completa de la pieza rotorica es necesario
son procedimientos controlados por la compañía TurboCare, C.A. Debido a que
desarmar la pieza. Para ello se llevan a cabo esta serie de procesos:
Extracción de Anillos de Retención
Este proceso se realiza método de inducción, alcanzando una temperatura
de 280 ºC uniforme en toda la pieza, con este método se minimizan los riesgos de
daños al aislamiento tanto en los cabezales de bobinas como entre espiras,
debido a que no es necesario utilizar fuerza mecánica
Figura 4.1 Método de calentamiento por inducción y Extracción de Anillos de
Retención.
Fuente: TurboCare, C.A.
104
El método de inducción consiste en ubicar una bobina alrededor del anillo,
inyectándole un voltaje y una corriente a una alta frecuencia, generando así una
inducción en la pieza y como consecuencia su calentamiento. En la figura 4.1 se
puede observar imágenes del proceso.
Extracción y Limpieza de Bobinas
S
O
D
VA
Ya evaluado el estado del material aislante se procede a la extracción de
R
todas las cuñas y seguidamente de cada una de las bobinas de ambos polos, de
SE
E
R
S
manera tal que la pieza ferromagnética quede despojada de todos sus devanados
HO
C
E
ER
como se puede apreciar en la siguiente figura 4.2.
D
Figura 4.2 Proceso de Extracción de devanados.
Fuente: TurboCare, C.A.
Posteriormente extraídos los devanados pasan por un proceso de limpieza
para la eliminación de residuos de aislantes y barniz. Hecho esto se procede a un
moldeado manual de cada expirar para corregir cualquier deformación existente
como se aprecia en la figura 4.3
105
S
O
D
VA
Figura 4.3 Proceso de Limpieza y Moldeado manual.
ER
S
E
R a repara las piezas que conforman el
Realizado estos pasos procedemos
S
O
CH
E
R
DE
Fuente: TurboCare, C.A.
rotor
Remplazo de aislamiento de Devanados
Una vez extraídas y luego de la limpieza y moldeado aplicado a las bobinas
se realiza entonces el aislado en los cabezales de las espiras, el mismo se realiza
aplicando una capa de barniz aislante marca Royal Diamond Tipo Royalac 521,
tanto en la cara inferior como en la cara superior de la espira, luego se procede a
colocar papel Nomex en cada cara y por ultimo se le aplica una capa de cinta de
vidrio solapada. El proceso se puede observar en la figura 4.4.
Figura 4.4 Proceso de remplazo de aislamiento de los devanados.
Fuente: TurboCare, C.A.
106
Limpieza y Preparación de Rotor para la instalación de Bobina
Luego de culminar la extracción de las bobinas del cuerpo del rotor
generador, el mismo es trasladado al área de limpieza abrasiva para realizar una
limpieza profunda de toda su superficie y ranuras, garantizando la remoción de
todas y cada una de las partículas de material aislante que por efectos térmico
pudiesen estar adheridas a distintas zonas del rotor generador.
S
O
D
VA
Una vez culminada esta limpieza a este rotor se le aplica una capa de
R
pintura anti-flash o rojo aislante, que actúa como aislante eléctrico y a su vez como
SE
E
R
S
protector anticorrosivo para preservar el material del mismo como se aprecia en la
figura 4.5.
HO
C
E
ER
D
Figura 4.5 Pieza ferromagnética Limpia y bajo la capa de pintura Anti-Flash.
Fuente: TurboCare, C.A.
Realizado todo el proceso de aseado y reparación de las partes que
conforman la pieza rotorica, se inician los procesos de reconstrucción del mismo
armándolo de nuevo.
Instalación de las Bobinas en las Ranuras
Ya listas las bobinas y la parte interna de las ranuras, se comienza a
insertar espira por espira de cada bobinas en sus respectivas ranuras, esto se
107
realiza con mucha cautela, ya que no se deben deformar las laminas de cobre que
conforman la espira, entre estas a medida que se van insertando en la ranura se
les coloca papel Nomex con una capa de barniz para aislarlas entre ellas, como se
nota en la figura 4.6.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
Figura 4.6 Proceso de Inserción de bobinas en sus ranuras con sus aislantes
respectivos.
Fuente: TurboCare, C.A.
Proceso de calentamiento del rotor
Como parte del proceso de instalación de las bobinas, es necesario
ejecutar un tratamiento térmico que consiste en la elevación de la temperatura de
las bobinas del rotor mediante la inyección de corriente de manera progresiva y
controlada para luego con ayuda de unos dispositivos realizar la compactación y
prensado de las mismas en el área de cabeza de bobinas con la finalidad de
llevarlas a la medida adecuada como se puede ver en la figura 4.7 esto se realiza
para la instalación de los tacos espaciadores, tacos espaciadores, kit de
aislamiento y anillos de retención. Este proceso también se realiza con el fin de
lograr el curado de la resina y el despojo de humedad encontrada en el material
ferromagnético y devanados.
108
S
O
D
VA
Figura 4.7 Compactación de Devanados.
ER
S
E
R de retención y Cabezas de bobinas
S
Reemplazo de aislamiento entre
Anillos
O
CH
E
R
E
D
Todo el kit de aislamiento de ambos extremos fueron reemplazados en su
Fuente: TurboCare, C.A.
totalidad para ello se emplearon varias capas de laminas de vidrio epoxy G11,
Clase H, las mismas fueron instaladas y fijadas con un pegamento especial de alta
temperatura al área de cabeza de bobinas y fijadas temporalmente con flejes
hasta el momento de la instalación de sus anillos de retención.
Figura 4.8 Aislamiento remplazado en cabezas de bobinas.
Fuente: TurboCare, C.A.
109
Instalación de Anillos de retención, Ventiladores y Aplicación de pintura
Dieléctrica:
Una vez finalizadas las labores de reaislado e instalación del aislamiento
nuevo sobre los cabezales de las bobinas se procedió a calentar los Anillos de
Retención con el método de inducción hasta 280°C, se colocaron en su sitio con la
ayuda de una guía y halados por señoritas de 3 toneladas, sostenidos con la grúa
puente. Como se observa en la figura 4.9.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
Figura 4.9 Instalación de anillos de retención.
Fuente: TurboCare, C.A.
Por ultimo al enfriarse los anillos, se instalaron los ventiladores. Como fase
final se tomaron las medidas de excentricidad (run out) y pre-balanceo del rotor
con valores satisfactorios.
Al finalizar todos los trabajos en el rotor del generador como vemos en la
figura 4.10, se procedió a pintar todo el equipo con una pintura dieléctrica color
rojo mate “Anti Flash” aprobada para este tipo de equipo, ya que brinda protección
ante los efectos de la corrosión y a su vez tiene propiedades aislantes.
110
S
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D
VA
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
Figura 4.10 Rotor reparado satisfactoriamente.
Fuente: TurboCare, C.A.
D
4.2. DESCRIPCIÓN DE LOS PROCESOS DE MOLDEADO DE DEVANADOS,
CURADO DE RESINA Y SECADO DE DEVANADOS.
Realizado con éxito la restauración de un rotor se procede a realizar la
acción de calentar el rotor por efecto joule, es decir, mediante la inyección de
corriente al rotor, logrando un aumento de temperatura.
Este proceso se hace con la finalidad de realizar tres sub-procesos muy
relevantes en el mantenimiento correctivo realizado a rotores de generadores con
averías. Estos sub-procesos son los siguientes:
Proceso de Secado
Donde se inyecta corriente para generar calor por efecto joule hasta
temperatura entre los 50 y 60 ºC, la cual es ideal para el desplazamiento de la
humedad interna del rotor. Esta humedad se hace presente debido a que la
111
reparación de estos equipos se hace en ambientes cerrados con presencia de aire
acondicionado.
Proceso de Curado
La temperatura deseada es entre 100 y 120 ºC mediante el mismo proceso
de inyección de corriente. Esta temperatura es suficiente para lograr el curado de
la resina aislante aplicada a los rotores luego del proceso de rebobinado que se
S
O
D
VA
realiza al momento de un mantenimiento correctivo.
Proceso de Moldeado
R
SE
E
R
S
HO
C
E
La temperatura
DERdeseada oscila entre 120 y 150 ºC, lo cual permite que el
material de las espiras (en este caso es cobre) sea más maleable y pueda ser
llevado a la forma mediante unas prensas de bobinas y lograr así la compactación
deseada. En la figura 4.11 se puede observar las prensas de cabeza de bobinas.
Figura 4.11 Prensas de cabezas de bobinas
Fuente: TurboCare, C.A.
112
4.3. METODOLOGÍA DEL PROCESO DE CALENTAMIENTO OBSERVADO EN
TURBOCARE, C.A.
A continuación presentamos la metodología utilizada para realizar el
proceso de calentamiento de rotores de generadores sincronos reparados en
TurboCare, C.A. Estas instrucciones estructuradas fueron logradas gracias a la
observación en el taller de trabajo donde se realiza el proceso.El proceso se
realiza mediante la inyección de corriente controlada para ello es necesario los
S
O
D
VA
siguientes materiales y equipos:
•
Máquina de soldar DC.
•
Anillos de cobre.
•
•
•
•
R
SE
E
R
S
HO
C
E
Pirómetro.
DER
Amperímetro tipo pinza.
Megger digital.
Lona.
Sabiendo que el calentamiento se realiza por medio de inyección de
corriente es necesario el contacto de los terminales de la máquina de soldar sobre
el rotor. Este contacto específicamente se realiza por medio de unos anillos de
cobre que trabajan de conductor de corriente que aporta la máquina de soldar,
estas son colocadas en la periferia de los colectores como se pueden ver en la
figura 4.12.
Figura 4.12 Aplicación de terminales sobre anillos colectores.
Fuente: TurboCare, C.A.
113
Posteriormente, se realiza el encendido de la máquina de soldar DC para
luego variar el nivel de amperaje teniendo un control mediante las pinzas
amperimetricas colocadas en cada terminal de la máquina de soldar. Realizado
esto se emprende un monitoreo de un operador, que consiste en verificar cada
ciertos intervalos de tiempo la temperatura que se haya en el rotor, para luego de
esta manera cuando se obtenga la temperatura deseada mantenerla durante el
lapso de tiempo adecuado para poder cumplir con las temperatura optimas para
que se realicen cada sub-proceso en el calentamiento del rotor. En la figura 4.13
S
O
D
VA
se observa el monitoreo del operador.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
Figura 4.13 Monitoreo del Operador.
Fuente: TurboCare, C.A.
Transcurrido el tiempo necesario a temperatura tope de acuerdo a cada
magnitud del rotor, se procede a bajar los niveles de amperios y con ellos lo
niveles de temperatura a la mitad de temperatura de la antes utilizada, con el fin
de lograr el decremento de calor de manera controlada como se puede ver en la
figura 4.14.
114
S
O
D
VA
Figura 4.14 Periodo de disminución de temperatura controlada.
R
SE
E
R
S
Fuente: TurboCare, C.A.
HO
C
E
R inyector de corriente y se lleva el rotor a un lugar de
desconexión del
DEequipo
Culminados los intervalos de tiempo necesarios, se procede a la
reposo para que lentamente vuelva a su temperatura ambiente como se aprecia
en la figura 4.15. Realizado esto, se evalúa la resistencia de aislamiento haciendo
uso de un megóhmetro digital para luego los resultados arrojados sean registrados
formatos de la compañía.
Figura 4.15 Rotor adaptándose a temperatura ambiente.
Fuente: TurboCare, C.A.
115
4.4. REVISIÓN DE NORMATIVA VIGENTE APLICABLE AL PROCESO DE
CALENTAMIENTO DE ROTORES.
4.4.1.
NORMATIVA UTILIZADAS
EN
MANTENIMIENTOS
Y
PRUEBAS
REALIZADAS A ROTORES DE GENERADORES POR PARTE DE LA
COMPAÑÍA PETRÓLEOS MEXICANOS, ABALADA POR IEEE.
S
O
D
VA
R
Es pertinente realizar la acotación de estas normativas debido que las
SE
E
R
S
pruebas realizadas por estas compañía al momento de la rehabilitación de
HO
C
E
principalmenteD
aE
su R
aislamiento, que es su vez unas de las principales causas por
generadores con rotores de polos liso son de gran importancia ya que se enfocan
la que se realiza el proceso de calentamiento.
El proveedor o prestador de servicio deberá efectuar las siguientes pruebas
de aceptación del rotor y entregar el reporte correspondiente. Las pruebas se
llevarán a cabo en diferentes etapas del proceso de rehabilitación como se indica
a continuación:
Resistencia de aislamiento
La prueba se aplica para garantizar que el aislamiento del devanado polar no
está conectado a tierra o que no está afectado por la contaminación depositada.
Se debe aplicar una tensión de prueba de 500 V CD. Se toman registros de la
resistencia de aislamiento cada minuto hasta diez minutos.
Potencial aplicado con corriente alterna:
Esta prueba se efectúa cuando se sustituya el aislamiento a tierra. El voltaje
de prueba se aplica entre los conductores de salida de los devanados y la parte
116
metálica del rotor. Se debe aplicar una tensión de CA de 10 Vn (Vn hasta 500
volts), en ningún caso menos de 1500 Volts durante un minuto, donde Vn es el
voltaje nominal del devanado de excitación de corriente directa ANSI C50.10 o
equivalente.
Resistencia óhmica
Esta prueba es utilizada para verificar las condiciones en que se encuentran
S
O
D
VA
las uniones soldadas del devanado polar. La medición de la resistencia se debe
R
efectuar con un equipo que aplique una corriente entre 10 y 100 A de CD a través
SE
E
R
S
del conductor de los devanados y registrar la resistencia del conductor la cual no
HO
C
E
ER
debe diferir en un +/- 2% de la resistencia de diseño.
D
Medición de impedancia a 60 Hz en estado estático
Con el rotor estacionario, se aplica una tensión en terminales en pasos de 5 V
hasta alcanzar 100 V de CA en los anillos del rotor. Se debe registrar la corriente
circulante en el devanado y obtener la impedancia de acuerdo a la ley de Ohm.
Medición de impedancia a 60 Hz en estado dinámico
Esta prueba consiste en aplicar una tensión constante de 100 V a las
terminales del rotor, se registran los valores de voltaje y corriente en cada
incremento de velocidad de 200 rpm hasta alcanzar el valor nominal. La
impedancia debe permanecer constante, un cambio en el valor de impedancia
significará la presencia de un corto circuitos entre vueltas. No se aceptan
variaciones mayores del 5%.en los valores registrados entre pasos desde 0 hasta
la velocidad nominal.
117
Caída de tensión
Este método es utilizado para detectar problemas de fallas de aislamiento
entre vueltas en el devanado del rotor. Se debe aplicar una tensión de 100 V en
terminales del rotor y medir la distribución de tensión en las bobinas de ambos
polos. La diferencia de tensión entre puntos simétricos no debe exceder del 5 %.
Comparación de pulsos
S
O
D
VA
R
El pulso utilizado debe ser de acuerdo a la norma IEEE 522 o equivalente
SE
E
R
S
ser de baja tensión de frente rápida a fin de poder hacer pruebas repetidas
HO
C
E
extremo del devanado,
DER a través de los anillos, con el extremo opuesto en circuito
durante el proceso sin fatigar el aislamiento. El impulso se debe aplicar en un
abierto. Posteriormente se intercambian las posiciones y el extremo opuesto se
convierte en punto de aplicación del impulso. De esta forma se debe obtener una
gráficas por cada extremo del devanado.
Al sobreponer las dos gráficas estas deben ser exactamente iguales. Si es
así, se considera que el devanado es simétrico (sin corto circuitos entre vueltas ó
a tierra). Por otro lado, si las gráficas son diferentes, se considera que existe
alguna falla en el devanado polar y es motivo de rechazo de la reparación del
rotor.
4.4.2. IEEE STD. 112-1996 – PROCEDIMIENTO DE ENSAYO PARA MOTORES
DE INDUCCIÓN POLIFÁSICOS Y GENERADORES.
4.4.2.1. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA.
Hay dos métodos para determinar la temperatura de la siguiente manera:
118
Termómetros
Este método es la determinación de la temperatura por termómetros de
alcohol por termómetros de resistencia. Cualquiera de estos de instrumentos
aplicados a la parte mas caliente de la maquina se puede obtener una buena
lectura.
S
O
D
VA
Detector Incorporado al rotor
R
SE
E
R
S
Este método es la determinación de la temperatura mediante termopares o
HO
C
E
instrumentos D
especialmente
diseñados,
ER
termómetros de resistencias integradas directamente en la maquina. Son
se debe utilizar con termómetros de
resistencia para evitar errores o daños significativos debido al calentamiento del
termómetro de resistencia durante la medición.
Otros dispositivos ordinarios de medición no podrían ser adecuados debido
a la corriente relativamente grande que puede pasar a través del elemento
resistivo. La temperatura local de un rotor se puede determinar mediante un
detector de temperatura local. La dimensión máxima del elemento de detección no
debe exceder de 2 pulgadas (5.08cm). El elemento de detección se coloca en la
proximidad térmica de donde se quiere obtener la medición de temperatura. Los
detectores de temperatura locales son termopares, los termómetros de resistencia
pequeña y termistores.
Estos se instalan con frecuencia como parte permanente de una máquina
en lugares no accesibles a los termómetros de alcohol. Se utilizan para determinar
la temperatura de los conductores locales, láminas centrales dentro de un
paquete, y la temperatura entre los lados de la bobina.
119
Los detectores pueden diferir sustancialmente de las determinadas por el
método del termómetro, el detector incorporado y el método de resistencia, la
temperatura así medida no debe interpretarse en relación con normas escritas en
términos de estos métodos.
4.4.3. IEEE STD. 1-1986 PRINCIPIOS GENERALES PARA LÍMITES DE
TEMPERATURA EN LA CALIFICACIÓN DE EQUIPOS ELÉCTRICOS Y PARA
S
O
D
VA
LA EVALUACIÓN DE AISLAMIENTO ELÉCTRICO.
R
SE
E
R
S
4.4.3.1. SELECCIÓN DE MÉTODO DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA.
El
HO
C
E
métodoEde
D Rmedición termopar
es el más adecuado para medir la
temperatura de las superficies que sean accesibles a los mismos. El método de
termopar de contacto es adecuado para medir la temperatura de superficies como
la de las barras del conmutador y anillos. El método de la resistencia es adecuado
para medir la temperatura de aislados de bobinas. Para bobinas de baja
resistencia, son necesarias precauciones especiales para asi obtener resultados
precisos. El método del detector integrado es adecuado para medir temperatura
en las zonas señaladas antes como dicen las normas preferiblemente en
máquinas rotativas, pero estas se utilizan por lo general en máquinas operando.
La prueba de
temperatura del punto más caliente puede variar
dependiendo de la capacidad de medir la temperatura interna. Rotores, Estatores
y equipos similares por lo general se puede medir con un buen grado de
confianza, sin embargo, es imposible asegurar que la temperatura más caliente se
determinará por algún método de medición. Sin embargo, un gran número de
puntos de medición pueden proporcionar datos de la temperatura cercana a la
temperatura más caliente en diferentes sitios y estos comparándolos con otros
puntos.
120
4.4.3.2. OBSERVACIÓN EN EL AUMENTO DE TEMPERATURA.
Para poder calificar alguna temperatura como observable existe una norma
primordial, que consiste en seleccionar el método o los métodos de determinación
de temperatura adecuados para cada caso. Es conveniente que siempre sea
posible normalizar el método de medición de modo que las mediciones sean
comparables. La selección de una temperatura como observable en un
determinado equipo depende en gran medida en la experiencia práctica obtenida
S
O
D
VA
en pruebas previamente realizadas.
R
SE
E
R
S
Diferentes valores pueden ser apropiados para diferentes tipos de equipos
HO
C
E
bajos voltajesD
y mayores
ER aumentos de temperaturas es importante reconocer los
con los mismos materiales de aislamiento. Por ejemplo, en el caso de bobinas de
materiales de aislamiento que lo conforman para así saber la temperatura máxima
soportable por el mismo. Por lo general se aprecia mica alrededor de la bobina en
forma de escama.
Además existen algunos materiales aislantes encerrado en una atmósfera
de nitrógeno que soportan temperaturas más altas que lo hacen en el aire. En la
selección final del valor temperatura observable para un determinado tipo de
equipos y servicios es importante reconocer la necesidad de uniformidad y
simplicidad entre las distintas normas antes mencionadas.
Se recomienda que los valores de aumento de la temperatura observable
ser seleccionados de la Tabla 4.1.
121
Tabla 4.1. Valores sugeridos para monitoreo de temperatura en calentamiento de
maquinas rotativas.
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
Fuente: IEEE 1-1986
D
4.5. DEFINICIÓN DE REQUERIMIENTOS QUE DEBE SATISFACER EL
TABLERO PARA DESARROLLAR EL PROCESO DE CALENTAMIENTO.
4.5.1. REQUERIMIENTOS OPERATIVOS.
Cuando se habla de requerimientos operativos se refiere directamente a
las especificaciones que debe cumplir el tablero para realizar satisfactoriamente el
proceso de calentamiento de rotores de generadores síncronos y así poder
cumplir con las acciones de curado de resinas, moldeado de devanados y el
despojo de la humedad en el rotor también llamado secado.
Este tablero deberá satisfacer las siguientes especificaciones tales como, la
corriente máxima requerida para alcanzar la temperatura deseada por acción del
efecto Joule, equipos de medición para chequeo del proceso, automatización del
proceso por medio de controlador lógico programable (PLC) y ser capaz de
registrar las variables destacables del proceso.
122
Corriente máxima requerida
Según información suministrada por el departamento de generadores de
TurboCare, en base a experiencia previa, el proceso de calentamiento es
realizado a rotores reparados en el taller con características que se pueden
apreciar en la siguiente tabla 4.2.
Tabla 4.2. Corriente requerida para cada tipo de Rotor de Generador Eléctrico para
realizar proceso de calentamiento en TurboCare, C.A.
S
O
D
VA
Corriente requerida para
realizar el proceso de
calentamiento (Amp)
R
Tiempo de alcance de
la temperatura
deseada (Hrs)
40 – 70 MW
SE
E
R
S
70 – 90 MW
120 – 150 Amp
48 Hrs
90 – 120 MW
200 – 250 Amp
48 Hrs
Rango de Rotores
(MW)
HO 50 – 70 Amp
C
E
ER
D
48 Hrs
Fuente: Propia – Izea y Montero
Basándonos en dicha información se toma como referencia los 250
amperios siendo este el valor más alto de corriente que deberá satisfacer el
tablero para realizar el proceso de calentamiento en rotores reparados en
TurboCare, C.A.
Medición de Corriente
Debe poseer equipos de medición de corriente para medir y confirmar que
la corriente inyectada al rotor al cual se le esta llevando a cabo el proceso sea la
adecuada para el calentamiento.
123
Medición de Temperatura
Debe poseer instrumentos capaces de medir temperatura, que son los
indicados para llevar el seguimiento del aumento de temperatura a lo largo del
proceso.
Medición de Aislamientos
S
O
D
VA
Es necesario que el tablero sea capaz de medir
la resistividad del
R
aislamiento que posea el rotor, esto para verificar luego de realizado el proceso,
SE
E
R
S
que dichos aislamientos no hayan sido dañados por exceso de temperatura y
HO
C
E
ER
mantengan sus propiedades resistivas.
D
Automatización del Proceso
El tablero deberá ser capaz de controlar el proceso de manera
automatizada, y simultáneamente registrar todas las variables de interés con el fin
de mostrar a la clientela un seguimiento preciso y detallado del calentamiento del
rotor.
4.5.2. REQUERIMIENTOS TÉCNICOS.
Inyección de Corriente.
La inyección de corriente será suministrada por un sistema de soldadura
por arco eléctrico, capaz de aportar una intensidad de 0-250 amperios en corriente
directa. Este sistema debe tener la posibilidad de controlar el nivel de corriente a
inyectar deseada a través de un conjunto de contactos.
124
Medición de Corriente
Debe poseer un amperímetro de corriente directa con un rango de 0 a 300
amperios, capaz de medir la corriente máxima requerida, este debe funcionar con
un transformador de corriente tipo boquilla con una relación de
400/5, con
derivaciones en el secundario de X1-X2 como mínimas a través del cual va a
pasar el cable de alimentación de calibre 350 AWG/Kcmil encargado de inyectar la
corriente al rotor.
Medición de Temperatura
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
HO
C
E
cobre versus cobre-níquel
DER capaz de censar una temperatura que oscila entre -40 -
El tablero debe conectarse a termocuplas o termopares de tipo “T” de
+350 ºC, clase 1 con una desviación máxima 0,5 ºC, sus dimensiones máximas
deben ser 200mm de longitud y 10mm de diámetro para poder alojarse entre las
ranuras del rotor, este termopar debe poseer un material protector, resistente a la
temperatura a la cual será expuesto, tal como acero inoxidable.
Medición de aislamiento
Para esta medición es necesario que el diseño posea un megohmetro
capaz de inyectar entre 500VDC a 1000VDC y medir entre 0 – 1 Tera-ohmios.
Debe poseer a su vez una salida analógica
que pueda comunicarse con un
sistema automatizado de control para posteriormente lograr una comunicación y
registro de las pruebas realizadas con el mismo.
Automatización del Proceso
Es necesario que el tablero cuente con un controlador lógico programable
para así lograr su automatización. Este PLC deberá contar con:
125
• Módulo de entradas analógicas de corriente de 4-20 mA para leer las
variables del megóhmetro y la termocupla.
• Módulo de entradas discretas de 24 VDC, mínimo deberá contar con 8 para
entradas para pulsadores del equipo.
• Módulo de salidas discretas de 24VDC para relés de control y alarmas
• Módulo de salidas discretas para contactores 100/240VAC.
S
O
D
VA
4.6. SELECCIÓN DE EQUIPOS.
R
SE
E
R
S
De acuerdo con las razones ya expuestas, se necesitan una serie de
HO
C
E
R intervienen básicamente en los procesos de curado de
distintas variables
DEque
dispositivos de medición que cumplan con el propósito de medir y registrar las
resina, moldeado de devanado y secado del rotor.
A continuación, se presentan una gama de equipos clasificados de acuerdo
a las diferentes variables a medir, los cuales fueron comparados y detallados en
su funcionamiento y disponibilidad en el mercado, para así luego seleccionar los
más adaptados a los requerimientos técnicos del tablero.
En la tabla 4.3 se muestra una variedad de amperímetros diseñados para la
medición de intensidad de corriente continua de los cuales se seleccionara el más
adecuado de acuerdo a los requerimientos previamente establecido.
Tabla 4.3. Amperímetros de Corriente Directa
Marca
Modelo
Rango de
Medida
Dimensiones
Tipo de Medición
Disponibilidad
Autonics
MT4WDA41
0 - 1000amp
96x48mm
Digital
Inmediata
Vitel
AMPVI500
0 - 500amp
96x96mm
Analógica
Inmediata
CAMSCO
CP-96/ESC400A
0 - 400amp
96x96mm
Analógica
90 días
Fuente: Catálogo Autonics, Catálogo Online Vitel y Catálogo CAMSCO.
126
De acuerdo a los datos recabados en la tabla anterior, con respecto a la
diversidad de amperímetros disponibles para su utilización en el tablero para el
calentamiento de rotores, se hizo la selección del dispositivo de medición más
adecuado y preciso para su aplicación dentro del mismo.
El instrumento de medición escogido fue el VITEL, ya que el mismo nos
ofrece las mejores características: principalmente es capaz de medir el rango de
temperatura requerido, su disponibilidad en el mercado es inmendiata, lo cual es
S
O
D
VA
importante en caso de implementar y construir el diseño propuesto por parte de la
R
empresa. Posee también buenas dimensiones con una escala amortiguada de
SE
E
R
S
90º, dicha escala ofrece una buena visibilidad y exactitud al momento de
HO
C
E
C, es decir; es
adaptable al ambiente de trabajo para el que se
ER
Dperfectamente
presenciar la lectura. Este amperímetro trabaja a una temperatura entre -10º y 55º
requiere. Asimismo, VITEL es una marca reconocida a nivel mundial en cuanto a
fabricación y distribución de materiales y equipos eléctricos, lo cual ofrece gran
confiabilidad de los mismos al momento de su uso. A continuación, se muestra
con la figura 4.16, más detalles del amperímetro analógico seleccionado.
Figura 4.16 Amperímetro Análogo Vitel
Fuente: Catalogo Online Vitel - http://www.vitel.cl/vit/catalogo.html
Seguidamente, en la tabla 4.4 se muestra una serie de transformadores de
corriente disponibles en el mercado con cierto grado de accesibilidad y los cuales
poseen características específicas que se adecuan a los requerimientos y pueden
formar parte del diseño.
127
Tabla 4.4. Transformadores de Corriente
Marca
Modelo
Relación de
Transformación
Diámetro Interior
Disponibilidad
CAMSCO
CFS-43
400/5A
400/5
43mm
60 Días
CIRCUTOR
TRM60
400/5
30mm
Inmediata
SACI
TU-40
400/5
30mm
Inmediata
Fuente: Catálogo Autonics, Catálogo Online Vitel y Catálogo CAMSCO.
S
O
D
VA
R
El transformador de corriente seleccionado fue el de la marca CIRCUTOR,
SE
E
R
S
ya que dispone características importantes en cuanto a su función en el diseño del
HO
C
E
R
requerimientoD
deE
transformar
de 400 a 5 amperios con el fin de alimentar equipos
tablero. Dichas características se presentan a continuación: cumple con el
de medición que trabajan con dicho amperaje, su diámetro interior se adecua
perfectamente al calibre del cable que pasara a través de el. Su disponibilidad en
el mercado es inmediata, lo cual es importante a la hora de implementar y
construir el diseño por parte de la empresa, también posee un peso moderado, lo
cual permite fácilmente su alojamiento en el interior del gabinete, además
CIRCUTOR es una empresa española reconocida a nivel mundial encargada del
diseño y fabricación de equipos eléctricos de medición y control, que cuenta con
franquicias en Latinoamérica en donde destaca Colombia, debido a la cercanía de
Venezuela con el hermano país lo que hace más fácil la comunicación en caso de
encargo.
Las características técnicas pueden ser observadas con mayor detalle y de
forma más completa en el anexo 2, extraído del manual de la compañía fabricante.
De igual manera se puede observar el transformador seleccionado en la figura
4.17.
128
Figura 4.17. Transformador de Corriente CIRCUTOR
Fuente: Catláogo de Relés y Transformadores de Corriente CIRCUTOR.
A continuación, se muestra en las tablas 4.5 una lista de megohmetros
S
O
D
VA
dedicados a la medición de resistencias de aislamiento en maquinas eléctricas de
R
SE
E
R
S
gran envergadura.
O
H
C
Tabla
4.5. Megohmetros Digitales
E
ER
D
Marca
Modelo
Rango de
Medida
Dimensiones
Tensión de
Prueba
Disponibilidad
FLUKE
1550B
0 - 1 TΩ
170x242x330 mm
250 - 5000 VDC
90 Días
AEMC
5060
0 - 10 TΩ
270x270x180 mm
500 – 5000 VDC
30 Días
0-400 MΩ
215x110x70 mm
250 - 500 VDC
30 Días
AMPROBE AMB-25
Fuente: Catálogo FLUKE, Catálogo de Instrumentos AECM, Catálogo Online AMPROBE.
El megóhmetro seleccionado en este caso fue el AEMC gracias a las
siguientes ventajas: cumple con todos los requerimientos técnicos exigidos por el
diseño, más aun la compañía Turbocare, C.A., actualmente dispone de
megóhmetros de este tipo además de presentar personal capacitado para el uso
de los mismos. También se considera que su disponibilidad es inmediata partiendo
de la premisa de que ya existe este tipo de equipo dentro de las instalaciones de
Turbocare, C.A., por añadidura AEMC es una empresa líder en equipos de
medición de corriente y de resistencia de aislamiento, y ofrece productos
personalizados de acuerdo a las aspiraciones de los clientes, lo cual hace ser muy
viable y confiable al momento de comprar equipos de esta marca.
129
El grueso de parámetros técnicos y operativos de este equipo, se
encuentran con mayor detalle en el anexo 3. De igual manera se puede observar
el megóhmetro seleccionado en la figura 4.18.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
Figura 4.18 Megóhmetro AEMC 5060
Fuente: Catálogo AEMC INSTRUMENTS.
En la tabla 4.6 se muestra la gama de sensores de temperaturas llamados
termocuplas, de los cuales se seleccionará el más apropiado para el uso de dicho
instrumento en el tablero.
Tabla 4.6. Termocuplas Tipo T
Marca
Modelo
Rango de
Medida
Dimensiones
Material de
Conductor
Disponibilidad
SECOIN
T-TipoT
200 - 400 ºC
200x15 mm
Cobre vs Constanta
90 Días
ISOTECH
T-100 TPR
196 – 250 ºC
356x6.35 mm
Cobre vs níquel
30 Días
EXEMYS
PT100
0 – 300 ºC
150X8 mm
Cobre vs CobreNíquel
·30 Días
Fuente: Catálogo FLUKE, Catálogo de Instrumentos AECM, Catálogo Online AMPROBE
130
La termocupla seleccionada para medir la temperatura durante el proceso
de calentamiento de rotores, es la termocupla marca EXEMYS ya que es
totalmente adecuada para medir las temperaturas oscilantes al momento de la
ejecución de dicho proceso, igualmente sus dimensiones son perfectamente
adaptables a las ranuras del rotor. EXEMYS es una marca reconocida en el
mercado con alta capacidad y experiencia en el ámbito industrial, destacada por
proveer productos de conectividad para el monitoreo, adquisición y control de
procesos industriales, además nos ofrece menores plazos de entrega de equipos,
S
O
D
VA
diseño de equipos personalizados, soporte técnico en español y servicio de
R
reparación de equipos.
SE
E
R
S
HO
C
E
del tipo seleccionado.
DERPara más información sobre las características técnicas del
En la figura 4.19 y se puede observar la estructura física de una termocupla
instrumento y las diferentes opciones que ofrece el fabricante, se pueden observar
más detalladamente en el anexo 4.
Figura 4.19 Termocupla EXEMYS PT100
Fuente: Catálogo EXEMYS para encargos.
A continuación, en la tabla 4.7 podemos observar varias máquinas de
soldar por arco eléctrico, de las cuales escogeremos la adecuada para
proporcionar la corriente requerida en el proceso de calentamiento.
131
Tabla 4.7. Máquinas de soldar por arco eléctrico
Marca
Modelo
Capacidad de
Corriente
MILLER
Dialarc
0 - 250 Amp DC
THERMAL
Pro-Lite 250Ts
0 - 250 Amp DC
LINCOLN
Power MIG215
30 - 230 Amp DC
Dimensiones
483x597x838
mm
360x180x420
mm
808x408x985
mm
Disponibilidad
Inmediata
90 Dias
Fuente: Manual técnico MILLER, Catálogo THERMAL y Catálogo LINCOLN.
S
O
D
A más importantes:
inyección de corriente fue la MILLER. Destacamos lasVrazones
R
E
Slograr el curado de resina, secado
es capaz de aportar el amperaje necesario
para
E
R
S parte, gracias a que se obtuvieron los
Ootra
H
y moldeado de devanados;
por
C
EREcomo de operación de la máquina, éstos pudieron ser
manuales tanto
Dtécnicos
La máquina de soldar seleccionada para ser tomada como la base de
utilizados como punto de partida para la realización del diagrama circuital en el
diseño propuesto. Así mismo, TurboCare, actualmente cuenta con varios equipos
con las mismas características al seleccionado, lo cual permite la utilización de
alguno de ellos en caso de implementar el diseño; aunado a esto, MILLER ofrece
una amplia gama de productos y equipos de soldadura al menor precio,
reconocida en el mundo por su alta confiabilidad y garantía.
Para finalizar con la selección de los equipos que conformarán el tablero, en
la tabla 4.8 se plasma una diversidad de controladores lógicos programables, uno
de los cuales será el responsable de automatizar el proceso de calentamiento en
los rotores
132
Tabla 4.8. Controladores Lógicos Programables
Marca
Modelo
Comunicación
Dimensiones
Disponibilidad
ALLEN
BRADLEY
SLC 500
RS232/ETHERNET
380,5 x 220 x
82mm
30 Días
SIEMENS
SIMATIC S7-100
DH485
140 x 80 x
92mm
90 Días
SCHNEIDER
FSACCO1
RS232
239x128x 85
mm
90 Días
Fuente: Catalogo MILLER, Catalogo THERMAL y Catalogo LINCOLN.
S
O
D
VA
capacidad de satisfacer los requerimientos operativos
y técnicos mencionados
R
E
S
Ehacia el controlador SLC 500 ALLEN
anteriormente, pero la selección seS
inclinó
R
O
C
BRADLEY debido a que
en H
TurboCare existe un horno de alto vacío que está
E
R
E
D
controlado por un PLC de igual tipo al seleccionado, lo que hace que los
Es de resaltar que cada tipo de PLC plasmado en la tabla 4.8 tiene la
operadores ya se encuentren familiarizados con este sistema operativo. Otra
razón por la cual se optó por este equipo es que sus funciones de programación y
simulación son de fácil acceso en la web y se puede desarrollar de manera
sencilla y amigable. El controlador lógico programable seleccionado se puede
observar en la figura 4.20 que se muestra a continuación:
Figura 4.20 PLC SLC500 ALLEN BRADLEY
Fuente: Manual de Usuario Módulos de E/S y controladores programables SLC 500
133
Para más información técnica del PLC revisar Anexo 5 donde se podrá
observar especificaciones encontradas en el manual de instalación y operación del
mismo.
4.7. DISEÑO CIRCUITAL DEL TABLERO.
4.7.1. DIAGRÁMA CIRCUITAL BASE.
S
O
D
VA
R
En la figura 4.21 se muestra el diagrama circuital correspondiente a la
SE
E
R
S
máquina de soldar seleccionada. Dicho diagrama sirvió como punto de partida
HO
C
E
utilizando estaD
máquina
ER de soldar MILLER como equipo inyector de corriente.
para la realización del diseño del tablero para el calentamiento de rotores,
Figura 4.21 Diagrama Circuital de la Máquina de Soldar MILLER Dialarc
Fuente: Manual de Usuario de la Máquina de Soldar MILLER Dialarc.
En la figura 4.22 se resaltan algunos bloques circuitales, tomando como
base el funcionamiento de cada uno.
134
1
2
S
O
D
A
V
R
SE
6
3
C
E
R
DE
E
R
S
HO
4
7
8
5
Figura 4.22 Diagrama Circuital de la Máquina de Soldar MILLER Dialarc separados en bloques circuitales.
Fuente: Manual de Usuario de la Máquina de Soldar MILLER Dialarc
135
El bloque 1 corresponde a los conectores de entrada y los puentes para
seleccionar el voltaje primario del transformador principal. En el diseño propuesto
no se requiere seleccionar manualmente el voltaje de entrada, por lo cual se
realizará una conexión fija de 230V en el devanado primario.
En el bloque 2 se ilustra el transformador principal el cual se mantendrá sin
modificación alguna.
S
O
D
VA
Respecto al bloque 3, contiene el control fino de corriente a través del
R
reóstato R1. Este dispositivo no se utilizará para este tipo de control, por lo cual
quedará en una posición fija.
SE
E
R
S
HO
C
E
En el bloque
DER4 se muestra el control grueso de corriente mediante un
selector de tres posiciones denominado S4. Este selector manual será sustituido
por contactos controlados por el PLC para alcanzar los niveles de corriente
deseados en el proceso de calentamiento de rotores.
En el bloque 5 se refleja los dispositivos de control local y remoto para las
funciones de soldadura. Debido a que estas funciones ya no serán necesarias sino
que la operación del equipo se enfocará en inyección de corriente, estos
dispositivos ya no serán necesarios por lo cual se removerán los relés CR3 y TD1,
así como el selector S3 con sus respectivos contactos asociados. Se mantendrán
los relés W y CR2 conectados en modo local.
El bloque 6 comprende el control de corriente en modo remoto a través de
un reóstato externo. Por las mismas razones expuestas por el bloque 3 esta
modalidad remota se eliminara completamente.
En el bloque 7 se muestra los dispositivos de acondicionamiento de la
corriente de salida los cuales se mantendrán operativos para la correcta inyección
136
de corriente. Solo será necesario eliminar el selector S5 detallado en el bloque 8,
ya que la corriente a inyectar será tipo DC en polarización directa (straight).
4.7.2. DIAGRÁMA CIRCUITAL MODIFIDICADO.
Luego de haber reflejado el diagrama circuital original a través de sus
bloques funcionales, a continuación se muestra el diagrama circuital del diseño
propuesto, el cual ha sido una modificación del diagrama circuital original (figura
S
O
D
VA
4.21).
R
SE
E
R
S
Estas modificaciones se detallarán más a fondo en la figura 4.23 que se
HO
C
E
ER
muestra a continuación:
D
137
S
O
D
A
V
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R
DE
Figura 4.23 Diagrama Circuital de la Máquina de Soldar MILLER Dialarc modificado para el diseño del Tablero.
Fuente: Izea y Montero – Circuit Maker 2000
138
Como se planteó anteriormente se sustituyó el selector manual S4 por los
contactos CI1, CI2 y CI3, controlados por el PLC para alcanzar los niveles de
corriente deseados en el proceso de calentamiento de rotores.
Igualmente se puede observar la medición de corriente en el terminal del
electrodo a través del transformador de corriente y el amperímetro conectados en
serie.
S
O
D
VA
Es importante resaltar que los selectores de funcionamiento remoto S2 y S3
R
así como el selector de corriente de salida AC-DC fueron eliminados.
SE
E
R
S
HO
C
E
R fijo de 230V promedio y entregue tres niveles prefijados
con un voltajeD
deE
entrada
Estas modificaciones van a permitir que el inyector de corriente funcione
de corriente DC en polarización directa para los procesos de secado, curado y
moldeado de los devanados rotóricos.
4.7.3. SELECCIÓN DE EQUIPOS COMPLEMENTARIOS.
Con relación al diseño previamente mostrado surgió una serie de equipos
que se requieren para complementar las funciones de control a efectuarse sobre el
inyector de corriente.
A continuación se presentan los equipos seleccionados con una breve
descripción de su funcionamiento dentro del sistema así como el criterio tomado
para su aceptación.
Interfaz humano-máquina (HMI)
Es la encargada de permitir la comunicación entre el tablero y el operador
humano; por medio de la misma se llevará a cabo el control de los parámetros del
139
PLC y se podrán observar los registros obtenidos del proceso. El equipo
seleccionado fue el P1500 Basic de SIEMENS, principalmente por su
compatibilidad con el controlador lógico programable y también debido que su
tamaño es el adecuado para satisfacer la lectura clara de los parámetros
presentados. El dispositivo seleccionado se puede observar en la figura 4.24 y
más información en el ANEXO 5.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
Figura 4.24 HMI SIEMENS P1500 Basic
Fuente: Catálogo Paneles SIMACTIC SIEMENS
Contactores
Son necesarios para fijar los diferentes niveles de corriente inyectados al
proceso. Éstos serán comandados por el controlador lógico. Se seleccionaron tres
contactores FC4A6/230N de la marca de BTICINO con capacidad de 60 amperios,
ya que son los muy utilizados para sistemas de control y son de tamaño compacto,
por lo que se ajustan perfectamente al diseño del gabinete. El modelo del
contactor seleccionado puede observarse en la figura 4.25.
140
Figura 4.25 Contactor BTICINO FC4A6/230N
Fuente: Catálogo Bticino-Interruptores y accesorios
S
O
D
VA
Toma Corriente Doble 120V
ER
S
E
R
S
La función del tomacorriente
será proporcionar internamente en el tablero la
O
CelHmegóhmetro, su participación en el diseño parte de
E
alimentación eléctrica
para
R
DE
la idea de lograr que el megóhmetro no sea un instrumento permanente dentro del
tablero, al contrario, este equipo será capaz de ser desconectado y usado por sí
solo. La marca del tomacorriente seleccionado fue BTICINO. En la figura 4.26 que
está a continuación se puede ver el modelo de tomacorriente utilizado en el
diseño.
Figura 4.26 Modelo de tomacorriente BTICINO de 120v de uso común.
Fuente: Catálogo Bticino-Interruptores y accesorios
Transmisor para Termocupla de 4-20mA
Se procedió a seleccionar el transmisor LOGIC Electronics LTA-T para que
el mismo cumpla la función
de acondicionar la señal, proporcionar una salida
141
línea y precisa con respecto a la censada por la termocupla seleccionada
anteriormente. El transmisor se puede ver en la figura 4.27.
S
O
D
VA
Figura 4.27 Transmisor LTA-T 4-20 mA LOGIC Electronics.
R
SE
E
R
S
Fuente: http://www.logicelectronic.com/productos/transmisores/LTA_T.htm
HO
C
E
ER
D
Relé 12 voltios para protección del Megóhmetro
Se debió implementar el uso de relés para protección del megóhmetro, ya
que el mismo estará conectado al rotor durante el proceso de inyección de
corriente, la función del relé será activarse y cerrar el circuito del megóhmetro
cuando cese la intensidad de corriente en la pieza rotorica y así posteriormente
poner el marchan el megado del mismo. La selección fue sencilla debido a la
variedad existente de este tipo de relé para cumplir la función que se requiere,
pero se concluyó
que
el
relé
PANASONIC
RLAQE12112
cumple
los
requerimientos exigidos para cumplir el rol al cual será puesto, además de ser un
equipo que posee una temperatura de trabajo adecuado para la estar dentro de un
gabinete.
El equipo seleccionado se puede observar en la siguiente figura 4.28.
142
Figura 4.28 Relé de Panasonic RLAQE12112
Fuente: Catálogo AQ-E Solid State Relays Panasonic
R
SE
E
R
S
Interruptores
S
O
D
VA
HO
C
E
ER
Para este caso se buscó tres tipos de interruptores, el de 2 polos de 63
D
amperios y el de 1 polo de 10 amperios, el primero de ellos será utilizado como
principal, es decir, estará encargado de alimentar el tablero y todos sus equipos
asociados; y los otros dos serán colocados como auxiliares y su función será
energizar los transformadores del equipo inyector de corriente para prepararlo
para su uso. Como interruptor principal se seleccionó el BTICINO Btdin 60-F82/63
y como auxiliares el BTICINO Btdin 60-F81/16, los cuales se pueden apreciar en la
figura 4.29. Y para observación de la escogencia en el catálogo se puede ver en el
ANEXO 6.
Figura 4.29 Interruptor BTICINO Btdin 60-F82/63 y Btdin 60-F81/16
Fuente: Catálogo Bticino-Interruptores y accesorios.
143
Cableado
A continuación se presentan los calibres seleccionados para los
conductores requeridos por el diseño:
• Alimentación del Transformador Principal: 3 conductores tipo THW75°C, calibre #6 AWG
• Salida del Inyector de Corriente: 2 conductores tipo THW-75°C,
calibre #300 Kcmill
S
O
D
VA
• Interconexiones de Control: Deben ser de tipo THW-75°C, calibre
R
SE
E
R
S
#14 AWG
• Cables de Instrumentación: Deben ser de tipo apantallado, calibre
HO
C
E
ER
#18 AWG
D
4.8.- DISEÑO DEL GABINETE.
4.8.1. SELECCIÓN DE MATERIALES DEL GABINETE.
Los materiales del gabinete fueron seleccionados para un sistema de
cableado interno en instalaciones industriales, clasificado según la Nema para uso
interior. Las características más resaltantes se muestran a continuación:
•
Lamina calibre 12 de hierro negro pulido o hierro esmaltado.
•
Pintura en polvo electrostática.
•
Cuerpo con entrada/salida de cables.
•
Puerta posterior abisagrada.
•
Caras internas anterior y posterior con doble fondo.
•
Caras laterales con rejillas de ventilación.
•
Cara inferior con rejillas localizadas para ventilación del transformador.
•
Ruedas de caucho tipo libre.
•
Manubrio en cara posterior para desplazamiento del gabinete.
144
A continuación en la figura 4.30 se puede apreciar los diferentes materiales
seleccionados para formar parte del gabinete donde se alojará el diseño.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
Figura 4.30 Materiales del Gabinete
Fuente: Izea y Montero.
Ya definidos los materiales del gabinete, se procedió a diseñar el mismo
mediante un software de diseño asistido (CAD), el cual nos permite apreciar un
modelo en tres dimensiones del gabinete terminado con sus medidas respectivas.
Estas medidas contemplan las dimensiones de los equipos más importantes
seleccionados previamente, a ser distribuidos en el interior del gabinete.
A continuación se presentan las diferentes vistas del modelo propuesto en
las figuras 4.31, 4.32 y 4.33:
145
S
O
D
A
V
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R
DE
Figura 4.31 Vista Frontal del Gabinete
Fuente: Izea y Montero – Autodesk Inventor Profesional 2012
146
S
O
D
A
V
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R
DE
Figura 4.32 Vista Lateral del Gabinete
Fuente: Izea y Montero – Autodesk Inventor Profesional 2012
147
S
O
D
A
V
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R
DE
Figura 4.33 Vista Trasera del Gabinete
Fuente: Izea y Montero – Autodesk Inventor Profesional 2012
148
4.8.2. DISTRIBUCIÓN DE EQUIPOS EN EL GABINETE.
Para determinar las dimensiones (942x791x682mm) del gabinete se prestó
especial atención a los equipos de mayor importancia, tales como:
• Transformador principal
• Amplificador magnético
• Megóhmetro
• Controlador lógico programable
HO
C
E
Termocupla
DER
• Contactores
•
R
SE
E
R
S
• Interfaz humano-máquina
S
O
D
VA
• Amperímetro
Estos equipos se distribuyeron en tres niveles dentro del gabinete tomando
en cuenta sus características físicas, su conexión con otros dispositivos y el rol
que desempeñan para el correcto funcionamiento del sistema.
Los niveles tomados en consideración fueron los siguientes:
Nivel inferior
En este nivel se distribuyeron los principales equipos de fuerza, tales como:
transformador principal, amplificador magnético, megóhmetro y transformador de
corriente.
Nivel medio
Contiene los equipos de enlace entre el sistema de control y el sistema de
fuerza. Estos equipos son: contactores de control, cableado de interconexión.
149
Nivel superior
Este nivel alberga los sistemas encargados de censar las variables del
proceso y controlar los niveles de corriente inyectados e interactuar con el
operador del equipo. Entre estos sistemas podemos nombrar: controlador lógico
programable, termocupla, interfaz humano-máquina y amperímetro.
S
O
D
VA
Esta distribución de equipos se muestra a continuación en las figuras 4.34,
R
4.35 y 4.36 en las cuales se detalla la ubicación de los equipos principales
anteriormente indicados:
SE
E
R
S
D
HO
C
E
ER
150
S
O
D
A
V
R
SE
Interfaz Humano-Maquina
E
R
S
HO
C
E
R
DE
Amperímetro
Termocupla
Bolsa para cableado de
la Termocupla
Interruptor Principal
Visor para observación del PLC
Figura 4.34 Distribución de Equipos Vista Frontal
Fuente: Izea y Montero – Autodesk Inventor Profesional 2012
151
S
O
D
A
V
R
SE
Puerta Trasera
PLC
E
R
S
HO
C
E
R
DE
Rejillas de
Ventilación
Contactores
Ruedas
Salida de Cables
Figura 4.35 Distribución de Equipos Vista Lateral
Fuente: Izea y Montero – Autodesk Inventor Profesional 2012
152
Manubrio del Tablero
S
O
D
A
V
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R
DE
Cableado de
Comunicación
Transformador
Megóhmetro
Amplificador
Figura 4.36 Distribución de Equipos Vista Trasera
Fuente: Izea y Montero – Autodesk Inventor Profesional 2012
153
4.9. DESARROLLO DEL SOFTWARE PARA MANEJO POR MEDIO DEL PLC.
4.9.1. DISTRIBUCION ENTRADAS – SALIDAS DEL PLC.
Antes de adentrarse al desarrollo del software se muestra en la figura 4.37
un boceto de la distribución en cuanto a salidas y entradas más importantes que
manejara el controlador lógico programable. Se podrá distinguir de la siguiente
manera de color rojo se muestran las entradas y de color azul las salidas.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
Figura 4.37 Entradas y Salidas del PLC
Fuente: Izea y Montero – Circuit Maker 2000
Posteriormente en las tablas 4.9, 4.10 y 4.11 se pueden apreciar más
detalladamente la distribución de entradas y salidas que el controlador tendrá
conectado.
154
Tabla 4.9. Entradas Discretas Utilizadas en el PLC
Entradas discretas - 1746SC-IN4i
Pulsador para Proceso Manual
Pulsador para Proceso Automático
Pulsador de Contactor 1
Pulsador de Contactor 2
Pulsador de Contactor 3
R
SE
E
R
S
Pulsador de Megóhmetro
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
Fuente: Izea y Montero.
Tabla 4.10. Salidas Discretas 1746-OBP16 Utilizadas en el PLC
Salidas discretas - 1746-OBP16
Alarma de Defecto en Contactor 1
Alarma de Defecto en Contactor 2
Alarma de Defecto en Contactor 3
Alarma de Defecto en Megóhmetro
Alarma de Finalizado del Proceso
Megóhmetro
Fuente: Izea y Montero.
Tabla 4.11. Salidas Discretas 1746-OA16 Utilizadas en el PLC
Salidas discretas - 1746-OA16
Contactor 1
Contactor 2
Contactor 3
Fuente: Izea y Montero.
155
Tabla 4.12. Entradas Analógicas 4-20mA Utilizadas en el PLC
Entradas Analógicas 4-20mA
Termocupla
Salida del Megóhmetro
Fuente: Izea y Montero.
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
4.9.2. PROTOCOLO DE CONTROL DE PROCESO POR EL PLC.
HO
C
E
protocolo de control
DERde corriente que para el cual se programara el PLC, lo cual
En la siguiente figura 4.38 que se aprecia a continuación se observa el
será detallado más adelante:
Figura 4.38. Control del Corriente
Fuente: Izea y Montero
156
El PLC deberá controlar la inyección de corriente a una primera intensidad
de aproximadamente 90 A (indicado en el gráfico desde T1 hasta T4) a través del
contactor CI1 (baja corriente). Mediante la señal recibida desde la termocupla se
finalizará la primera etapa del proceso (secado del rotor) cuando se registren 60
grados centígrados. Este sensor notificará al controlador que se ha alcanzado la
temperatura requerida para culminar este sub-proceso en T4. A continuación, se
cesará la inyección de corriente por 10 min (indicado entre T4 y T5), para proceder
a realizar el megado del rotor y así registrar los datos del comportamiento de su
S
O
D
VA
aislamiento.
R
SE
E
R
S
Posteriormente, el PLC ordenará una mayor inyección de corriente,
HO
C
E
R
anterior desdeDT5
150 A). De esta manera se alcanzará la
E(aproximadamente
accionando un segundo contactor CI2, el cual controla una corriente más alta de la
temperatura necesaria de 120 grados centígrados por efecto Joule, para curar las
resinas aplicadas en el rotor en reparación. Al alcanzar este punto en T7, se
deberá cesar la inyección de corriente para megar el equipo de nuevo por 10 min.
Por último, se realizará la misma secuencia a través del contactor CI3 (alta
corriente), con una corriente máxima de aproximadamente 250 A, para alcanzar la
temperatura deseada de 150 grados centígrados. Luego de llegar a este punto, se
detendrá la inyección de corriente y se verificará de nuevo la resistencia de
aislamiento mediante el megóhmetro.
Al finalizar este proceso, el PLC deberá proporcionar las gráficas de
comportamiento del aislamiento del rotor, con respecto a la temperatura y la
corriente.
157
4.9.3. DESARROLLO DEL PROGRAMA.
Ya descrito el proceso que debe cumplir el controlador lógico programable y
definidas todas las señales
de salida y entrada que manejará el mismo, se
procederá a una breve explicación de su programación.
El programa de control fue realizado mediante el software RSLogix 500,
mediante una programación en escalera. En primer lugar, se procedió a identificar
S
O
D
VA
los módulos de entradas y salidas que serán necesarios para la implementación
del control del proceso.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R y salidas entre el proceso y el programa. Al culminar
direccionarán D
lasE
entradas
Una vez identificados dichos módulos se crearon los dispositivos que
con la creación de estos dispositivos, se procedió a realizar la programación.
El proceso consta de una subrutina llamada principal en la cual se
encuentran las dos opciones de funcionamiento del dispositivo, una de ellas es
manual y la otra automática. Ambas opciones pueden ser habilitadas mediante
unos pulsadores los cuales identificará el controlador lógico programable y así
podrá iniciar el proceso en el modo seleccionado.
El proceso automático está delimitado por temporizadores los cuales nos
ayudarán a simular las entradas analógicas de la termocupla y el megóhmetro,
también fueron agregadas una serie de alarmas las cuales nos permiten identificar
las fallas que puedan presentarse durante el proceso. Por último se debe destacar
que mediante el software RSView32 se realizó la configuración del HMI,
enlazando las imágenes de los displays con los registros del programa ya
realizado en RSLogix 500. De esta manera se podrá tener una mejor visualización
del proceso y una observación detallada de los registros de las temperaturas y
resistencias de aislamiento.
158
A continuación se presentan en las figuras 4.39, 4.40 y 4.41 donde se
puede apreciar de manera seccionada la programación del PLC, realizada en el
software RSLogix 500. La programación completa se podrá observar en el Anexo
8.
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
159
S
O
D
A
V
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R
DE
Figura 4.39. Selección de modo y control de baja corriente en el PLC
Fuente: Izea y Montero – RSLogix 500
160
S
O
D
A
V
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R
DE
Figura 4.40 Medición de aislamiento y control de media corriente en el PLC
Fuente: Izea y Montero – RSLogix 500
161
S
O
D
A
V
R
SE
E
R
S
HO
C
E
R
DE
Figura 4.41 Medición de aislamiento en el PLC luego del proceso de curado
Fuente: Izea y Montero – RSLogix 500
162
CONCLUSIONES
Luego de culminado el “Diseño de un tablero para el calentamiento de
rotores de generadores síncronos reparados en TurboCare” llegamos a las
siguientes conclusiones:
•
Se definió el proceso de reparación al cual se someten los rotores de
S
O
D
VAy sus sub-procesos de
forma más detallada el calentamiento del R
rotor
E
Sresina y moldeado de devanados.
E
R
secado de humedad del rotor,
curado
de
OS
H
C
RE
E
D
Se especificaron los requerimientos técnicos y operativos del sistema de
generadores síncronos constituido por varias fases, de la cual se explicó de
•
inyección de corriente para el proceso de calentamiento de rotores para
luego seleccionar los equipos que a la postre formaron parte del diseño del
hardware.
•
Se realizó la selección de equipos con base a algunos dispositivos ya
existentes en las instalaciones de TurboCare, para así lograr un mejor
aprovechamiento de los mismos y facilitar el manejo por parte del personal
que opera en la compañía.
•
Se diseñó el tablero para el calentamiento de rotores y se codificó el
programa en lenguaje escalera para llevar a cabo las funciones de control
necesarias para cumplir el proceso. Cabe destacar que este diseño ofrece
una interfaz sencilla y amigable para el manejo del operador.
163
RECOMENDACIONES
Considerando todo el contenido desarrollado en este trabajo especial de
grado, se recomienda:
•
Realizar la implementación del gabinete inyector de corriente basado en
S
O
D
VA
diseño propuesto.
•
R
SE
E
R
S
Incluir en la programación del controlador lógico programable varias
HO
C
E
inyectada
de R
acuerdo al tamaño de los rotores en reparación.
DE
opciones de configuración que permitan ajustar los niveles de corriente
•
Establecer un procedimiento que incluya la secuencia de instrucciones
necesarias para llevar a cabo el proceso de calentamiento utilizando el
diseño propuesto. En el Anexo 9 se muestra un formato que puede servir
de guía para dicho procedimiento.
•
En caso de implementación, realizar un análisis de disipación calórica para
determinar si es necesario agregar un sistema de ventilación forzada al
gabinete.
164
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
TEXTOS:
ARIAS, Fidias. “El proyecto de investigación”. 1999. Editorial Episteme. Caracas,
Venezuela.
BAVARESCO, Aura M. “Proceso metodológico de la Investigación”. 2006. Cuarta
S
O
D
BEHOUZ A. FOROUZAN, “Introducción a la cienciaR
deV
la A
computación”. 2003.
E
S
E
R
S
CEAC, Enciclopedia Electricidad.
“Talleres
Electro-mecánicos Bobinados”. 1978.
O
H
C
RE CEAC. España.
Segunda Edición.E
D Ediciones
Edición. Editorial LUZ. Venezuela.
CEAC, Enciclopedia Electricidad. “Materiales Electro-mecánicos”. 1978. Segunda
Edición. Ediciones CEAC. España.
CHAPMAN, Stephen J. “Maquinas Eléctricas”. 2005. Tercera edición. Editorial
McGraw-Hill.
CREUS, Antonio. “Instrumentación Industrial”. 2007. Séptima Edición. Editorial
Marcombo. Colombia.
EYSSAUTER DE LA MORA, Maurice. “Metodología de la Investigación para el
Desarrollo de la Inteligencia”. 2008. Editorial Thomson. México.
HERNÁNDEZ, R; FERNÁNDEZ, C Y BATISTA, P. “Metodología de la
investigación”. 2006. Cuarta edición. Mc. Graw Hill.
HURTADO DE BARRERA, Jacqueline. “Metodología de la Investigación Holística”.
2000. Editorial Sypal. Venezuela.
KUO, Benjamín C. “Sistemas de Control Automático”. 1996.
SOMMERBILL, Ian. “Ingeniería de Software”. 2005
165
PEÑA, Juan Domingo. “Introducción a los autómatas programables”. 2003
TAMAYO Y TAMAYO, Mario. “El proceso de la investigación científica”. 2009.
Cuarta Edición. Editorial Limusa. México.
TRABAJOS ESPECIALES DE GRADO:
DE S
UN SISTEMA
O
D
AUTOMATIZADO PARA EL CONTROL DE PRUEBAS
VA EN GENERADORES
R
E
S
E
SINCRONICOS”. Universidad del Zulia R
2003.
OS
H
C
E
Juan M. Carrasquero.
DER “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA
Juan
C. Rangel A. “DISEÑO Y
AUTOMATIZADO
DE
CONSTRUCCIÓN
PRUEBAS
ELÉCTRICAS
A
FUSIBLES,
INTERRUPTORES, TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Y CONECTORES
DE MEDIA Y BAJA TENSIÓN UTILIZADOS POR ENELVEN”. Universidad Rafael
Urdaneta 2008.
José R. Carbone N. y Eduardo J. Morón M. , titulada “DISEÑO DE MÓDULO DE
PRUEBAS PARA DETERMINAR EL NÚMERO DE VUELTAS EN BOBINAS DE
TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN, ELABORADAS POR LA EMPRESA
TIVECA”. Universidad Rafael Urdaneta 2008.
CATALOGOS Y REVISTAS:
AEMC Instrument – Megóhmetro Modelos 5050 y 5060. Catálogo descriptivo de
funcionamiento.
ALLEN-BRADLEY – SLC500. Descripción General del Sistema.
BTDIN - BTICINO. Selección de Interruptores Termomagnéticos y Accesorios.
166
CIRCUTOR Relés y Transformadores. Catálogo para selección de instrumentos
de protección y control.
EXEMYS - Termocuplas y PT100 Industriales. Catálogo para encargos.
SIEMENS – SIMACTIC HMI. Catálogo para selección 2010.
MANUALES:
S
O
D
VA
R
SE
E
R
S
Manual de Procedimientos, Instrucciones y Formularios de Generadores (MA-
HO
C
E
ER
GEN)
D
Manual Técnico y Operativo de Maquina de Soldar (MILLER Dialarc)
Manual de Usuario Módulos de E/S y controladores programables (SLC 500)
NORMAS Y ESTANDARES:
IEEE STD. 1-1986 – PRINCIPIOS GENERALES PARA LÍMITES DE
TEMPERATURA EN LA CALIFICACIÓN DE EQUIPOS ELÉCTRICOS Y PARA LA
EVALUACIÓN DE AISLAMIENTO ELÉCTRICO
IEEE STD. 112-1996 – PROCEDIMIENTO DE ENSAYO PARA MOTORES DE
INDUCCIÓN POLIFÁSICOS Y GENERADORES.
NORMATIVA UTILIZADAS EN MANTENIMIENTOS Y PRUEBAS REALIZADAS A
ROTORES DE GENERADORES POR PARTE DE LA COMPAÑÍA PETRÓLEOS
MEXICANOS, ABALADA POR IEEE.
CODIGO ELECTRICO NACIONAL CODELECTRA-FONDONORMA 200:2004
SEPTIMA REVISION.
INTERNET:
www.allen-bradley.com
167
http://electricidad-viatger.blogspot.com/2008/06/placa-de-caractersticas-en-lasmquinas.html
www.electronicafacil.net/tutoriales/El-rele.php
www.exemys.com
www.garaje.ya.com/migotera/trafomedida.htm
www.hellopro.es
S
O
D
VA
http://www.logicelectronic.com/productos/transmisores/LTA_T.htm
R
SE
E
R
S
www.mastercircuito.com
HO
C
E
ER
http://pce-iverica.es/instrumento-de-medida/metros/pirometros.htm
D
http://html.rincondelvago.com/transformador-de-corriente.html
www.tegnologiasdelaautomatizacion.blogspot.com
www.turbocare.com
www.vitel.cl/vit/catalogo.html
www.wikipedia.org
http://wordreference.com/definicion/aislamiento
http://unicrom.com/tut_bobina.asp
168
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
ANEXOS
169
ANEXO 1
Preguntas Utilizadas para Entrevistas Estructurada
S
O
D
VA
R
1. ¿En qué consiste el proceso de calentamiento de rotores?
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
2. ¿Para qué se realiza el proceso de calentamiento en rotores?
3. ¿Qué tiempo dura todo el proceso de calentamiento en rotores?
4. ¿Cuáles son los parámetros a controlar cuando se efectúa este proceso?
5. ¿A qué temperatura se realiza cada sub-proceso en el calentamiento de
rotores?
6. ¿Qué herramientas se utilizan en el proceso de calentamiento de rotores?
7. ¿Qué instrumentos de medición se utilizan en el proceso de calentamiento
de rotores?
8. ¿Cómo se realiza el proceso de calentamiento en TurboCare, C.A.?
170
9. ¿Cuántos
operadores
se
requieren
para
realizar
el
proceso
de
calentamiento?
10. ¿Qué tanto interviene el factor humano (operador) en el proceso de
calentamiento?
11. ¿Qué máquina es utilizada como inyector de corriente?
S
O
D
A de calentamiento
12. ¿Qué impacto tiene sobre el medio ambiente
elVproceso
R
E
S
E
de la manera como se está realizando
actualmente?
R
OS
H
C
RE
E
D
13. ¿Qué impacto tiene sobre los trabajadores el proceso de calentamiento de
la manera como se está realizando actualmente?
14. ¿Qué tipo de materiales químicos se utilizan en la construcción de los
devanados del rotor?
15. ¿El proceso de calentamiento se realiza en el marco de un plan de
mantenimiento preventivo o cuando se restaura un rotor completamente?
171
ANEXO 2
Catálogo de Relés y Transformadores de Corriente CIRCUTOR
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
172
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
ANEXO 3
Especificaciones Técnicas del AEMC 5060
173
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
ANEXO 4
Catálogo de EXEMYS para encargos
174
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
ANEXO 5
Especificaciones Técnicas del PLC SLC500
175
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
ANEXO 6
Especificaciones Técnicas del HMI TP1500 marca SIEMENS
176
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
ANEXO 7
Catálogo para Selección de Interruptores Principal y Auxiliar
177
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
ANEXO 8
Programación en diagrama de escalera para control del PLC
178
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
ANEXO 8
Programación en diagrama de escalera para control del PLC (Continuación)
179
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
ANEXO 8
Programación en diagrama de escalera para control del PLC (Continuación)
180
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
ANEXO 8
Programación en diagrama de escalera para control del PLC (Continuación)
181
R
SE
E
R
S
HO
C
E
ER
D
S
O
D
VA
ANEXO 9
Protocolo de Uso del Tablero para calentamiento de Rotores.
182
CALENTAMIENTO DE ROTORES, PARA SECADO, CURADO DE
RESINAS Y MOLDEADO DE DEVANADO MEDIANTE TABLERO
PARA CALENTAMIENTO DE MANERA AUTOMATIZADA
FORMATO BASE
MANUAL DE PROCEDIMIENTOS
1.O ALCANCE
Esta instrucción aplica a todos los rotores generadores bobinados con
anillos colectores. Esta instrucción define todos los pasos y pautas técnicas para
S
O
D
la humedad del rotor, curado de la resina y moldeado V
de A
devanado para el acople
R
E
S
de los anillos retenedores.
E
R
OS
H
C
E
DER
la inyección de corriente con el fin de lograr los sub-procesos de secado interno de
2.0 EQUIPOS A UTILIZAR
•
Tablero para calentamiento.
3.0 INSTRUCCIÓN
3.1 Verifique que el área este demarcada debidamente, recuerde que trabajara
con una máquina de alto índice de corriente.
3.2 Verifique que la superficie de los colectores esté libre de partículas, sucio o
grasa.
3.3 Proceda al conexionado del cable inyector de corriente del tablero sobre la
periferia de los colectores.
3.4 Proceda al conexionado de los equipos de medición de corriente, temperatura
y resistencia de aislamiento respectivamente.
3.5 Encienda el tablero y todos sus equipos activando el interruptor principal de
dos polos.
183
3.6 Posteriormente accione el primero interruptor auxiliar para llevar carga hacia el
transformador y luego active el siguiente para poner la maquina a trabajar
directamente.
3.7 Escoger en la pantalla el modo en que se desea trabajar.
3.7.1 Si se desea trabajar de manera manual seleccionar la corriente que se
desea inyectar al rotor de las 3 posibles opciones. Se debe mantener un monitoreo
permanente de la temperatura cuando el realiza el proceso de esta manera.
S
O
D
A
Vprogramado.
en la pantalla y el proceso se realizara de acuerdo R
a lo
Mantener un
E
S
Ea que exista algún tipo de alarma o
chequeo de la pantalla de maquina debido
R
S
HO
C
irregularidad en el proceso.
E
DER
3.7.2 Si se desea trabajar de manera automatizada seleccionar esa opción
3.8 Terminado el proceso verificar en pantalla del tablero que así lo indique.
3.9 Proceda al ajuste manual de las prensas de cabezas de bobinas de ser
necesario.
3.10 Proceda a la observación de todo el proceso registrado en la memoria del
tablero y que es visible en la pantalla. De ser necesario su extracción hacer el
respectivo conexionado con el PLC alojado en su interior.
3.11 Apague el tablero y proceda a la desconexión de todos los equipos tanto de
medición, como de inyección del rotor.
184