CONTENIDO - Fundamentos de la Electricidad. - Corriente Alterna Monofásica. - Corriente Alterna Trifásica. - El motor eléctrico trifásico. - Tipos de Arranque para motores trifásicos. - Corrección de Factor de Potencia eléctrica. - Calidad de energía. PARTÍCULAS ATÓMICAS Partículas del átomo El mismo número de electrones y protones indica un átomo neutro Átomo de un metal Capta con facilidad electrones Átomo de un no metal Pierde con facilidad electrones Corriente Alterna Se denomina corriente alterna a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de onda periódicas, tales como la triangular o la cuadrada. Corriente Alterna Corriente Alterna Dado que la sección de los conductores de las líneas de transporte de energía eléctrica depende de la intensidad, podemos, mediante un transformador, elevar el voltaje hasta altos valores (alta tensión), disminuyendo en igual proporción la intensidad de corriente. Con esto la misma energía puede ser distribuida a largas distancias con bajas intensidades de corriente Generadores de corriente alterna trifásicos Una fuente de tensión trifásica es un generador con tres devanados (bobinas) separados distribuidos alrededor del estator. Cada devanado forma una fase del generador. El rotor del generador es un electroimán que se mueve a velocidad síncrona mediante algún tipo de mecanismo, como por ejemplo una turbina de vapor o de gas. Generadores de corriente alterna trifásicos La rotación del electroimán induce una tensión sinusoidal en cada uno de los devanados. Los devanados de las fases están diseñados de forma que las tensiones sinusoidales inducidas en ellos tienen igual amplitud y están desfasadas entre sí 120°. Los devanados de fase son estáticos con respecto al electroimán giratorio, por lo que la frecuencia de la tensión inducida en cada devanado es la misma. Generadores de corriente alterna trifásicos<< Nuestro generador anterior tiene seis cables de salida, un par por cada una de las bobinas de generación, si suponemos las tres bobinas iguales y colocamos un voltimetro entre los extremos de cada par, obtendremos voltajes exactamente iguales en magnitud y forma, pero separados un tercio del giro del generador. Representados por las tres sinusoides de la figura de la derecha. Generadores de corriente alterna trifásicos Para convertir esos tres generadores monofásicos a un circuito trifásico necesitamos conectarlos. La conexión puede ser de dos formas diferentes conocidas como conexión en estrella y conexión en delta (o triángulo) Generadores de corriente alterna trifásicos La figura representa la conexión en estrella. Las tres bobinas generadoras están representadas como rectángulos negros, y cada extremo libre se ha nombrado con una letra para simplificar. En la conexión en estrella se conectan juntos en un punto común uno de los extremos (X,Y y Z) de las bobinas. Por lo que solo quedan tres cables de salida del generador, llamados fases. Un cuarto cable adicional puede sacarse partiendo del punto de unión. No es difícil demostrar que el punto común siempre tiene voltaje cero con respecto a tierra, por lo que se le llama neutro. Convencionalmente llamaremos tensión entre fases a la diferencia de voltaje entre dos de las fases, y tensión a neutro a la diferencia de voltaje entre una fase y el neutro. En la conexión estrella se cumple que: La tensión entre fases es 1.73 veces mayor que la tensión a neutro. Esta tensión a neutro sería equivalente al voltaje producido por cada bobina generadora. Generadores de corriente alterna trifásicos En la conexión en delta, se unen los extremos de las bobinas generadoras formando un triángulo como se muestra. En esta conexión solo tres cables pueden salir al exterior (fases). No es muy difícil darse cuenta que la tensión entre fases es equivalente a la tensión de cada bobina generadora. Magnitudes de fase y de línea TENSIÓN SIMPLE O DE FASE: Es la diferencia de potencial que existe en cada una de las ramas monofásicas de un sistema trifásico. Magnitudes de fase y de línea TENSIÓN DE LÍNEA O COMPUESTA: Es la diferencia de potencial que existe entre dos conductores de línea o entre dos terminales de fase. Magnitudes de fase y de línea INTENSIDAD DE FASE: Es la que circula por cada una de las ramas monofásicas de un sistema trifásico. Magnitudes de fase y de línea INTENSIDAD DE LÍNEA: Es la que circula por cada uno de los conductores de línea. SISTEMAS TRIFASICOS La generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica se efectúa, generalmente, mediante sistemas trifásicos. El siguiente esquema ilustra el flujo de energía desde el generador hacia los consumidores o cargas: SISTEMAS TRIFASICOS Se transmite con tensiones altas, ya que para un flujo de energía determinado las corrientes serán menores, y tanto menores cuanto mayores sean las tensiones. A corrientes menores se tendrán menores pérdidas por disipación en las líneas de transmisión. Recuérdese que la disipación en una resistencia es proporcional al cuadrado de la corriente, y también varía proporcionalmente con el largo de la línea e inversamente con la sección del conductor. SISTEMAS TRIFASICOS La resistencia del cuerpo humano entre mano y pie, es de 1000 a 3000 Ohms. Entre ambas manos, aproximadamente, 700 a 1000 Ohms. Si una persona, apoyada en tierra, toca un conductor que está con cierta tensión respecto a tierra, permitirá que circule una corriente eléctrica a través de su cuerpo. Corrientes de 1,2 a 1,6 mA producen cosquillas. Corrientes de 30 mA y mayores pueden causar la muerte. SISTEMAS TRIFASICOS Sistema trifásico trifilar: Se emplean en líneas de transmisión a largas distancias con tensiones del orden de 100 KV; y en la distribución secundaria para alimentar los transformadores descritos anteriormente. La razón de su empleo es económica. Se usan sólo 3 cables. 26 11 Motores eléctricos 1. Motores eléctricos Son máquinas eléctricas que transforman en energía mecánica, la energía eléctrica que absorben por sus bornas. Atendiendo al tipo de corriente utilizada para su alimentación, se clasifican en: • Motores de corriente continua – De excitación independiente – De excitación serie – De excitación (shunt) o derivación – De excitación compuesta (compund) Motores de corriente continua • Motores de corriente alterna – Motores asíncronos Monofásicos Trifásicos – Motores síncronos Motores de corriente alterna 27 11 Motores eléctricos Los motores de corriente alterna asíncronos, tanto monofásicos como trifásicos, son los que tienen una aplicación más generalizada gracias a su facilidad de utilización, poco mantenimiento y bajo coste de fabricación. Se da el nombre de motor asíncrono al motor de corriente alterna cuya parte móvil gira a una velocidad distinta a la de sincronismo. n 60 f p Velocidad de sincronismo 28 11 Motores eléctricos A.Constitución del motor asíncrono de inducción Un motor eléctrico está constituido por un circuito magnético y dos eléctricos, uno colocado en la parte fija (estátor) y otro en la parte móvil (rotor). El circuito magnético está formado por chapas apiladas en forma de cilindro en el rotor y en forma de anillo en el estátor. Motor eléctrico Estátor y rotor de motor eléctrico 29 11 Motores eléctricos El cilindro se introduce en el interior del anillo y, para que pueda girar libremente, hay que dotarlo de un entrehierro constante. El anillo se dota de ranuras en su parte interior para colocar el bobinado inductor y se envuelve exteriormente por una pieza metálica con soporte llamada carcasa. El cilindro se adosa al eje del motor. El eje se apoya en unos rodamientos de acero para evitar rozamientos y se saca al exterior para transmitir el movimiento, y lleva acoplado un ventilador para refrigeración. Los extremos de los bobinados se sacan al exterior y se conectan a la placa de bornes Sección de motor eléctrico 30 11 Motores eléctricos B. Campo magnético giratorio El campo magnético creado por un bobinado trifásico alimentado por corriente alterna es de valor constante pero giratorio y a la velocidad de sincronismo. Este fenómeno se puede comprobar con el estudio de las posiciones que va ocupando la resultante del flujo atendiendo a los sentidos de corriente que van tomando los conductores en el bobinado. Comprobación del campo magnético giratorio 31 11 Motores eléctricos C. Principio de funcionamiento El funcionamiento del motor asíncrono de inducción se basa en la acción del flujo giratorio generado en el circuito estatórico sobre las corrientes inducidas por dicho flujo en el circuito del rotor. El flujo giratorio creado por el bobinado estatórico corta los conductores del rotor, por lo que se generan fuerzas electromotrices inducidas. La acción mutua del flujo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor originan fuerzas electrodinámicas sobre los propios conductores que arrastran al rotor haciéndolo girar (Ley de Lenz). Principio de Funcionamiento del Motor asíncrono Trifásico 32 11 Motores eléctricos 2. Motores asíncronos trifásicos. Tipos y sistemas de arranque Los motores asíncronos de inducción son aquellos en los que la velocidad de giro del rotor es algo inferior a la de sincronismo. Motores asíncronos trifásicos Motores trifásicos Son motores en los que el bobinado inductor colocado en el estator está formado por tres bobinados independientes desplazados 120º eléctricos entre sí y alimentados por un sistema trifásico de corriente alterna. . 33 11 Motores eléctricos B. Motor de rotor en cortocircuito . El motor de rotor en cortocircuito es el de construcción más sencilla, de funcionamiento más seguro y de fabricación más económica. Su único inconveniente es el de absorber una elevada intensidad en el arranque a la tensión de funcionamiento. Rotor en cortocircuito . En el momento del arranque este motor acoplado directamente a la red presenta un momento de rotación de 1,8 a 2 veces el de régimen, pero la intensidad absorbida en el arranque toma valores de 5 a 7 veces la nominal. Estator y Rotor Jaula de Ardilla. 34 11 Motores eléctricos Arranque estrella triángulo (λ – Δ) Es el procedimiento más empleado para el arranque de motores trifásicos de rotor en cortocircuito. Consiste en conectar el motor en estrella durante el periodo de arranque y, una vez que haya alcanzado cierta velocidad, conectarlo en triángulo para que quede conectado a la tensión total nominal de la línea. Para ello, se hace necesario intercalar entre el motor y la línea un conmutador manual especial que realiza las conexiones de los extremos del bobinado del motor, sin realizar los puentes sobre la placa de bornes. Tablero Arranque estrella triángulo 35 11 Motores eléctricos Arranque mediante autotransformador Es un procedimiento que se utiliza para motores de gran potencia y consiste en intercalar entre la red de alimentación y el motor un autotransformador. Este tiene distintas tomas de tensión reducida, por lo que, en el momento del arranque, al motor se le aplica la tensión menor disminuyendo la intensidad y se va elevando de forma progresiva hasta dejarlo conectado a la tensión de la red. Arranque de un motor trifásico mediante autotransformador 36 11 Motores eléctricos Arranque Suave de motores trifasicos » Conexión de tiristores en antiparalelo. Arranque de un motor trifásico mediante autotransformador 11 Motores eléctricos Arranque Suave de motores trifasicos » Tensión eficaz aplicada a la carga. 11 Motores eléctricos CORRECCION del FACTOR de POTENCIA Bases de la Corrección del Factor de Potencia Las cargas generan perturbaciones CARGA Armónicas Potencia Reactiva Cargas Asimétricas Flicker RED Bases de la Corrección del Factor de Potencia Diferentes aspectos de la calidad de energía eléctrica Perturbaciones Causadas por: Potencia Reactiva Cargas Inductivas, Electrónica de Potencia Armónicas Electrónica de Potencia, cargas no lineales Commutación Convertidores y drives Caídas de tensión Variaciones de carga, corrientes de inserción Redes asimétricas Cargas monofásicas desbalanceadas Radio frecuencias Control de Ripple Interrupción de tensión Iluminación, sobrecarga, switching Bases de la Corrección del Factor de Potencia Cuales son los diferentes tipos de carga ? Cargas Ohmicas Cargas Inductivas Lamp. incandescentes Motores Eléctricos Planchas Transformadores Calentamiento resistivo Cargas Capacativas Capacitores Cables subterraneos Generadores sincrónicos sobre-exitados RED Reactores/chokes Líneas aereas Generadores sincrónicos sub-exitados Lámparas de descarga Electrónica de Potencia Bases de la Corrección del Factor de Potencia Tres diferentes tipos de carga: 1. CARGASOHMICAS Cargas Ohmicas U e I en fase Desfase = 0 En circuitos resistivos las formas de onda de la tensión y de la corriente alcanzan sus picos, valles y cruces por cero en el mismo instante de tiempo. Sin penalidad I - Corriente Se dice que la tensión y la corriente están en fase ( = 0°) y toda la potencia de entrada se convierte en potencia activa. Por lo tanto, los circuitos resistivos tienen un factor de potencia unitario . =0° U - Tensión La resistencia ohmica no depende de la frecuencia. Bases de la Corrección del Factor de Potencia Tres diferentes tipos de carga: 2. CARGASINDUCTIVAS Cargas Inductivas U adelanta 90° a I desfase = 90° Penalidad ! U - Tensión =90° La mayoría de las carga industriales son inductivas por naturaleza, por ejemplo: motores, transformadores, etc. Debido a la reactancia inductiva de la carga, la corriente tomada por la carga se retrasa eléctricamente con respecto a la forma de onda de la tensión en un ángulo . La magnitud de es proporcional a la reactancia inductiva. Impedancia-XL = 2 * 3.14 * f * L I - Corriente Bases de la Corrección del Factor de Potencia Tres diferentes tipos de cargas: 2. CARGASINDUCTIVAS Desfase Cargas inductivas Potencia causan un desfase Se observa potencia positiva y negativa. + ve U, I y potencia entre corriente y tensión. Corriente + ve -ve Tensión t Bases de la Corrección del Factor de Potencia Tres diferentes tipos de carga: 3. CARGASCAPACITIVAS Cargas Capacativas I adelanta 90° a U desfase = 90° Sobrecompensación es riesgoso ! Debido a la reactancia capacitiva de la carga, la corriente tomada por la carga se adelanta a la tensión en un ángulo . La magnitud de es proporcional a la I - Corriente reactancia capacitiva. =90° Impedancia XC 1 1 C 2 f C U - Tensión Bases de la Corrección del Factor de Potencia Tres diferentes tipos de potencia eléctrica Potencia Reactiva (kvar) Q S 2 -P 2 Q2 QC Q1 • S = Potencia Aparente • P = Potencia Activa S2 Potencia Activa P S² - Q² [ KW ] 2 1 Potencia Aparente S1 S P² + Q² [ kVA ] • Q = Potencia Reactiva cos = P/S sin = Q/S Q = S sin Q = P tan = fase Ángulo de desplazamiento S 1 = Potencia Aparente No Compensada S 2 = Potencia Aparente Compensada con Capacitores Bases de la Corrección del Factor de Potencia Que es la Potencia Activa ? La parte de la potencia de entrada que se convierte en potencia de salida, se denomina “Potencia Activa” y se indica generalmente P. La Potencia Activa se define por la siguiente fórmula. P 3 U I cos [W] Idealmente, toda la potencia de entrada por ej. la Potencia Aparente se debería convertir en potencia de salida útil, por ej. calentamiento de un horno, movimiento de un motor, luz de una lámpara. Bases de la Corrección del Factor de Potencia Que es la Potencia Reactiva ? Las máquinas eléctricas trabajan basadas en el principio de conversión de energía electromagnética (por ej. motores eléctricos, transformadores). Una parte de la energía de entrada se consume para crear y mantener el campo magnético. Esta parte de la energía de entrada no puede ser convertida en energía activa y es retornada a la red eléctrica al removerse el campo magnético. Esta potencia se conoce como Potencia “Reactiva” Q , y se define del siguiente modo. Q 3 U I sin [VAr] Bases de la Corrección del Factor de Potencia Que es la Potencia Aparente ? Las aplicaciones de los equipos eléctricos se basan en la conversión de la energía eléctrica en alguna otra forma de energía. La potencia eléctrica tomada por un equipo desde el suministro se denomina Potencia Aparente, y consiste de potencia activa y reactiva. La corriente medida con una pinza amperométrica indica la potencia aparente. Se define como: S 3 U I [VA] Bases de la Corrección del Factor de Potencia Que es el Factor de Potencia ? Factor de Potencia = cos cos-phi = P (kW) / S (kVA) desfase Potencia Corriente + ve + ve U, I y Potencia -ve Tensión t Fábrica Cervecerías Carnicerías Plantas de cemento Compresores Gruas Plantas de secado Maquinaria, gran tamaño Maquinaria, pequeño tamaño Plantas de papel Molinos Fábrica de acero Azucar Tabaco Bombas de agua Transformadores de soldadura Bases de la Corrección del Factor de Potencia FP Típico No Compensado 0,6..0,7 0,6..0,7 0,6..0,7 0,7..0,8 0,5..0,6 0,8..0,9 0,5..0,6 0,4..0,5 0,6..0,7 0,6..0,7 0,6..0,7 0,8..0,85 0,6..0,7 0,8..0,85 0,4..0,5 Por qué mejorar el Factor de Potencia ? Reducción del costo de energía (amortización: 6-18 meses, en general) Reducción de pérdidas ohmicas Mejoramiento de la Calidad de Energía (armónicas, caídas de tensión, ..) Mayor carga de kW de equipos de transmisión y distribución y/o menor dimensionamiento de estos equipos (cable, transformador, barras, ..) Protección Climática Bases de la Corrección del Factor de Potencia Cómo mejorar el Factor de Potencia ? Capacitores de CFP (HV o LV, automáticos o fijos) Reducir la cantidad de carga inductiva Uso de convertidores de moderna tecnología Generadores sincrónicos sobre-excitados CFP Activa (tiempo real) con switches con tiristores Bases de la Corrección del Factor de Potencia Principio de la CFP Bases de la Corrección del Factor de Potencia Principio de la CFP 0 65 Corriente Corriente 95 Energía Activa Energía Reactiva Trabajo mecánico o calor Generación de campos magnéticos Suministro Carga Capacitor Bases de la Corrección del Factor de Potencia Principio de la CFP S1 QC Q1 S2 2 1 Q2 = Q1 - QC P • S = Potencia Aparente • P = Potencia Activa • Q = Potencia Reactiva Bases de la Corrección del Factor de Potencia Análisis Trigonométrico Métodos de CFP Compensación individual Compensación en grupo Conpensación automática centralizada Compensación combinada CFP Activa (Tiempo Real, por medio de semiconductores) Bases de la Corrección del Factor de Potencia Métodos de CFP: 1. Compensación Individual (fija) Bases de la Corrección del Factor de Potencia Métodos de CFP: 1. Compensación Individual (fija) Ventajas a primera vista Desventajas kVAr producidos en el lugar Muchos capacitores pequeños Reducción de pérdidas en línea Reducción de caídas de tensión son más caros que uno central. Bajo factor de utilización de capacitores para equipos de Ahorro de desconectador operación no habitual. Bases de la Corrección del Factor de Potencia Métodos de CFP: 1. Compensación Individual - motor Para compensar motores asincrónicos la potencia del capacitor debería ser como máximo 90 % de la potencia reactiva de vacío del motor. Mayores relaciones de kVAr provocan la auto-excitación del motor después de la desconexión de la red. Riesgo de Sobre Tensión > 1,1 * Unominal! La relación de kVAr recomendada asegura un FP < 1 pero > 0,9 en vacío, asi como también a plena carga del motor. Una regla práctica recomienda: kVAr = 35% de la potencia activa (kW) del motor. La potencia activa se puede encontrar en la placa de características del motor. Bases de la Corrección del Factor de Potencia Bancos de Compensación Fijos Los bancos fijos son muy útiles cuando se requiere mejorar el factor de potencia de una carga o un grupo de cargas cuya demanda de potencia reactiva es básicamente constante. El banco fijo siempre estará conectado a la línea de alimentación Métodos de CFP: 1. Compensación Individual Trafos. Para la compensación de la potencia reactiva de vacío de transformadores, el dimensionamiento de los kVAr de los capacitores se basa en el consumo de energía reactiva propio del transformador. Los valores recomendados compensan sólo la potencia magnetizante de un transformador en vacío. Se puede usar la siguiente fórmula aproximada: Qo = So = io x SN / 100 Qo = Potencia reactiva de vacío del transformador en kVAr So = Potencia aparente de vacío del transformador en kVA io = Corriente de vacío del trabsformador en % de la corriente nominal SN = Potencia nominal del transformador en kVA Bases de la Corrección del Factor de Potencia Métodos de CFP: 2. Compensación en Grupo Ventajas a primera vista Reducción de la inversión de capital Pérdidas reducidas en líneas de distrib. Caídas de tensión reducidas en lín. distrib. Mayor factor de utilización de capacitores M M M Bases de la Corrección del Factor de Potencia Métodos de CFP: 3. Compensación Centralizada controlador M M M Bases de la Corrección del Factor de Potencia Bancos de compensación Automáticos El banco automático de capacitores consta de un conjunto de celdas capacitivas de valores distintos y también idénticos. El relevador de factor de potencia se encarga de detectar las necesidades de potencia reactiva del sistema y conecta los grupos necesarios. Métodos de CFP: 3. Compensación Centralizada Ventajas a primera vista Mejor utilización de capacitores Solución más efectiva (costo) En fábricas con muchas cargas de distintas potencias y tiempos de operación, la compensación fija es generalmente demasiado costosa y no efectiva. Más fácil supervisión La solución más económica para aplicaciones Control automático complejas es generalmente un banco centralizado y automático de capacitores, controlado por un controlador automático de CFP. El punto de conexión generalmente es el tablero general de distribución. Bases de la Corrección del Factor de Potencia Corrección en Bancos Automáticos
