GUÍA TEÓRICA INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES

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1 GUÍA TEÓRICA INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES s Carrera: Ingeniería Industrial Apunte: Año 2013 Autor: Ing. Julián Jorge Ronco

2 Índice 1. Representación de sistemas eléctricos Simbologías Eléctricas Bajo Normas Estándares Internacionales Planimetrías: Esquemas Unifilares de Potencia & Lay Outs de Plantas Industriales Esquemas de Comando (o Funcionales) Esquemas Topográficos Selección y Especificación de Cargas Eléctricas Dinámicas Motores de Inducción Trifásicos Selección y Especificación de Conductores de Potencia de Baja Tensión (BT) Composición de Conductores Eléctricos Material Conductor (Cobre o Aluminio) Material Aislante de los Conductores Eléctricos Protecciones de los Conductores Características Principales Conductores Eléctricos BT Factores de Instalación Intensidades Máximas Admisibles Factores de Corrección Selección Conductores Verificación Conductores Seleccionados Verificación de la Caída de Tensión Verificación al Cortocircuito 20 4, Selección Transformadores de Distribución/Potencia Características Principales Tipos Constructivos Determinación de la carga Especificación y Selección Corrección del Factor de Potencia Bajo Factor de Potencia Tipos de Compensación Compensación Fija o Variable Ventajas de la compensación 26 5,5 Capacidad Requerida Elementos de Protección y Maniobras Elementos de Protección y Elementos de Maniobra para Motores Elementos Eléctricos para protección contra Cortocircuitos Fusibles (BT) Interruptores Magnéticos Guardamotores Magnetotérmicos / Interruptores Magnetotérmicos Elemento de Maniobra: Contactor Categorías AC de Contactores Elección de Contactores.. 31 Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 2 de 31

3 1. Representación de sistemas eléctricos Simbologías Eléctricas Bajo Normas Estándares Internacionales. En Electrotecnia, en Circuitos o en Análisis de Circuitos siempre se trabaja con circuitos o esquemas representativos constituidos por mallas y nudos, y cuyos elementos son fuentes e impedancias; siendo sus versiones más comunes: un circuito monofásico o un circuito trifásico. Circuito Unifilar: Circuito Trifilar: Las representaciones que se emplean en la práctica deben contemplar otros elementos como: conductores de potencia, elementos de maniobra, elementos de protección, motores de inducción, transformadores de potencia, elementos de medición, etc. Por lo tanto, se deben emplear normas estándar internacionales para poder esquematizar todos los elementos eléctricos que conforman una instalación eléctrica industrial. Se pueden utilizar las Normas IRAM, IEC, IEEE, ANSI, etc. A modo de ejemplo, la Norma IRAM 2010 (se corresponde con la Norma IEC 617-7: Comisión Electrotécnica Internacional) indica los distintos símbolos que se emplean en las representaciones/esquematizaciones o planos eléctricos unifilares/trifilares. Cabe resaltar se pueden utilizar otras normas internacionales como la IEC 61082, entre otras tantas existentes. El uso de las normas internacionales elimina todo riesgo de confusión y facilita el estudio, la puesta en servicio y el mantenimiento de las instalaciones. Símbolo Z Símbolo alternativo Descripción Impedancia (Cualquier ángulo de fase) Puesta a tierra Puesta a masa Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 3 de 31

4 Falla Este símbolo también se utiliza en placas o Aparatos para indicar Tensión peligrosa Interruptor Interruptor de potencia automático Seccionador Seccionador bajo carga. Contactor Cortacircuitos fusibles, símbolo general. Seccionador - fusible Seccionador bajo carga - fusible Descargador Contacto normalmente abierto. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 4 de 31

5 Contacto normalmente abierto.(otras formas) Contacto normalmente cerrado. Contacto normalmente cerrado.(otras formas) Contacto de dos posiciones. Órgano de mando de un relé (símbolo general) (bobina) Dispositivo de accionamiento de un relé térmico. Arrancador de motor, símbolo general Arrancador estrella-triángulo Arrancador por autotransformador Arrancador - regulador por tiristores. M Motor lineal, símbolo general. M M Motor paso a paso, símbolo general. Motor de corriente continua de dos conductores con excitación serie. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 5 de 31

6 M Motor de corriente continua de dos conductores con excitación derivación. M 1 Motor monofásico serie de corriente alterna. GS Alternador sincrónico trifásico con inducido conectado en estrella, con neutro accesible. M 3 Motor asincrónico trifásico con rotor en cortocircuito. M 1 Motor asincrónico monofásico con fase auxiliar saliente y rotor en cortocircuito M 3 Motor asincrónico trifásico con rotor bobinado. M 3 Motor lineal asincrónico trifásico con desplazamianto en un solo sentido. Transformador monofásico de dos arrollamientos. Transformador monofásico de dos arrollamientos con pantalla. Transformador monofásico con punto medio. Transformador trifásico conexión triánguloestrella. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 6 de 31

7 Transformador trifásico de tomas múltiples con conmutador bajo carga, conexión triángulo-estrella. Transformador trifásico con tres bobinados conexión estrella-estrella-triángulo. Autotransformador monofásico. Autotransformador trifásico conexión estrella. Autotransformador monofásico con regulador progresivo de la tensión. Regulador de inducción trifásico. Transformador de corriente. (TI) Transformador de impulso. Transformador de corriente de dos arrollamientos secundarios sobre un circuito magnético común. Transformador de corriente de dos arrollamientos secundarios, cada uno sobre un circuito magnético independiente. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 7 de 31

8 Transformador de tensión. (similar al transformador de potencia monofásico) Convertidor de corriente continua. Rectificador. Rectificador de onda completa. (tipo puente) Inversor. Rectificador-inversor Elemento de pila o de acumulador. Batería de acumuladores o de pilas. Nota: cabe aclarar que en esta tabla orientativa (apunte guía), no se encuentran representados la totalidad de los componentes eléctricos existentes. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 8 de 31

9 1.2. Planimetrías: Esquemas Unifilares de Potencia & Lay Outs de Plantas Industriales. Esquema unifilar: los esquemas unifilares son aquellos en que los conjuntos de conductores se representan por un solo trazo indicando en él la cantidad de conductores. Este tipo de esquemas se emplea fundamentalmente para representar en forma general sistemas de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica, no poseen detalles ni lógicas de funcionamiento ni ubicación topográfica de los componentes eléctricos de la instalación. A continuación se muestra el esquema unifilar de un sistema de alimentación a una bomba sumergible que consta de los siguientes elementos: línea de 13,2 KV, seccionador fusible bajo carga, transformador 13,2/3,3 KV, seccionador, arranque por autotransformador, cable alimentador de potencia y motor. A continuación se muestra otro esquema unifilar correspondiente a otra instalación eléctrica industrial: alimentación de dos motores de inducción de jaula de ardilla 3f (BT: 0,4 KV) con sus correspondientes elementos de maniobra y protección, y sus cables alimentadores de potencia tripolares. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 9 de 31

10 Esquema Lay Out de una Planta Industrial: este tipo de esquemas se corresponde con la distribución de las cargas electro-mecánicas dentro de una industria. Se debe partir del conocimiento de la ubicación y distribución física de los elementos que conforman una planta industrial, cargas que demandarán cierta cantidad de energía eléctrica para sus correctos funcionamientos (ya sean bombas, compresores, cizallas, tornos, puentes grúa; o cualquier otra carga). Luego existe un proceso de conversión de energía eléctrica a mecánica, pero es fundamental el correcto diseño de la instalación eléctrica partiendo del conocimiento de la ubicación física de las cargas y de la potencia que cada una de estas cargas necesita para su correcto funcionamiento. A continuación se muestra un esquema Lay Out de una Planta Industrial: Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 10 de 31

11 Detalle de un sector del Lay Out: 1.3. Esquemas de Comando (o Funcionales) Son esquemas de gran relevancia que hacen a la lógica de funcionamiento de los circuitos de potencia principales. Si bien no es requerido dentro del alcance del trabajo de instalaciones eléctricas industriales de esta cátedra, es muy importante los alumnos de ingeniería industrial sepan diferenciar los circuitos de comando de los correspondientes circuitos de potencia. A continuación se mostrará un circuito de potencia (fuerza) de un arranque directo de un motor trifásico, con su correspondiente circuito de comando: Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 11 de 31

12 1.4. Esquemas Topográficos Son esquemas eléctricos que se corresponden con la ubicación de los componentes eléctricos dentro de los tableros eléctricos (tanto para tableros de Baja Tensión: BT, como los tableros de Media Tensión: MT). En el caso del esquema eléctrico del punto 1.3., tanto los elementos de protección (Fusible: FU2 y el Relevo Térmico: FR1) como el elemento de maniobra (Contactor: KM1) irán montados/instalados dentro de un tablero eléctrico de Baja Tensión. A continuación se muestra un esquema representativo topográfico de un Tablero General de Baja Tensión (TGBT): 2. Selección y Especificación de Cargas Eléctricas Dinámicas 2.1. Motores de Inducción Trifásicos Los motores eléctricos de inducción trifásicos en corriente alterna, son los dispositivos más usados cotidianamente para la ejecución de trabajos mecánicos. Los encontramos en todo tipo de aplicación industrial: ventilación, refrigeración, aire acondicionado, bombeo, molinos, medios transportadores, etc. Estos componentes eléctricos se seleccionan siguiendo los siguientes pasos (aconsejados por la cátedra): Paso 1: Requerimientos técnicos del motor Frecuencia y tensión nominal: 3 AC 50/60 Hz, 400, 500 o 690 V Utilidad o Servicio: Estandar (func. continuo S1 Norma DIN EN ) Grado o nivel de protección: IP. Velocidad nominal (Nº de Polos): n =... Rpm Potencia de salida: P =... kw Cupla de salida: M = P 9550/n =... Nm Tipo de construcción: IM. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 12 de 31

13 Paso 2: Requerimientos ambientales Temperatura Ambiente: 40 C >40 C Altitud del lugar: 1000 m >1000 m. Factores de derrateo: determinar factor de derrateo por tabla / información técnica f (temp.ref. & altitud). Paso 3: Determinar el rango de los posibles motores a seleccionar Dependiendo del grado de protección, método de refrigeración, potencia, cuplas y velocidad nominal del mismo. Nota: La temperatura generalmente en los motores es del rango -20ºC a 40ºC. Paso 4: Selección detallada del motor Verificar: Cuplas de arranque (C a ), corrientes de arranque (I a ), velocidad nominal de trabajo, corriente nominal, cos phi, cupla nominal, y demás datos considerados de interés para el régimen de trabajo del motor. Paso 5: Selección por rotor y por tipo de funcionalidad Rotor: Funcionalidad: Bobinado (distintos tipos de bobinado) Jaula de ardilla Doble jaula de ardilla Impulsar Bombas, compresores; Cizallas, trenes laminadores, etc A continuación se adjunta un catálogo con las especificaciones técnicas más relevantes: Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 13 de 31

14 3. Selección y Especificación de Conductores de Potencia de Baja Tensión (BT) Es un elemento destinado al transporte de energía eléctrica en las condiciones más favorables. Esto es, con las menores pérdidas de potencia posibles en el caso de los cables de energía, o con las menores alteraciones en la codificación de la señal enviada, en los cables de transmisión de datos o comunicaciones. Nosotros nos centraremos en los conductores eléctricos de potencia, que son los cables alimentadores de las cargas estáticas y dinámicas que posee cada proyecto de instalaciones eléctricas industriales. A los conductores eléctricos de B.T. los clasificaremos de la siguiente manera: Por su función: Para transporte de energía. De control y para transmisión de señales codificadas. Por su tensión de servicio: De muy baja tensión (menos de 50 V). Baja tensión (más de 50 V y hasta 1,1 kv). Media tensión (más de 1,1 kv. y hasta 35 kv). Alta tensión (más de 35 kv y hasta 150 kv). Muy alta tensión (por encima de 150 kv). Por la naturaleza de sus componentes: Con conductores de cobre o aluminio. Aislados con plástico, goma o papel impregnado. Armados, apantallados, etc. Por sus aplicaciones específicas: Para instalaciones interiores en edificios. Para redes de distribución de energía, urbanas o rurales. De señalización, telefonía, radiofrecuencia, etc. Para minas, construcción naval, ferrocarriles, etc Composición de Conductores Eléctricos Material Conductor (Cobre o Aluminio) Los conductores eléctricos son los elementos metálicos permeables al paso de la corriente eléctrica y que, por lo tanto, cumplen la función de transportar la energía de un extremo a otro del cable. Generalmente se eligen cobre o aluminio por su alta conductividad, característica necesaria para optimizar la transmisión de energía. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 14 de 31

15 Pueden ser: - Unipolar. - Bipolar, Tripolar, Tetrapolar, Multipolar. Bajo Normas IRAM 2176, 2177, NM-280, 2004; y la norma de la Comisión Electrotécnica Internacional IEC Conductores de la misma sección pueden estar constituidos por haces de alambres metálicos de distinto diámetro, según la mayor o menor flexibilidad exigida al cable. Se calientan al ser recorridos por una corriente eléctrica por efecto Joule (I 2 R) Material Aislante de los Conductores Eléctricos Material que impide el paso de la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial entre dos puntos del mismo. Se dice entonces que su resistividad es prácticamente infinita. Principales aislantes: PVC (Policloruro de vinilo): Material termoplástico utilizado masivamente para la mayoría de los cables de uso domiciliario e industrial en baja tensión. - Temperatura de funcionamiento normal: 70 ºC - Temperatura de funcionamiento en cortocircuito: 160 ºC durante no más de 5 segundos. XLPE (Polietileno reticulado): Material termoestable (una vez reticulado no se ablanda con el calor). Presenta mejores características eléctricas y térmicas que el PVC por lo que se lo utiliza en la construcción de cables de baja, media y alta tensión. - Temperatura de funcionamiento normal: 90 ºC - Temperatura de funcionamiento en cortocircuito: 250 ºC durante no más de 5 segundos. Goma etilén-propilénica: Material termoestable con características comparables al XLPE pero más flexible. Mezclas Afumex: Materiales con excelentes características eléctricas que, debido a su composición, en caso de combustión emiten muy pocos humos y cero gases halogenados (tóxicos y corrosivos) Protecciones de los Conductores Pueden cumplir funciones eléctricas y/o mecánicas y se dividen en cuatro tipos diferentes: Protecciones eléctricas: Se trata de delgadas capas de material sintético conductor. La capa inferior, colocada entre el conductor y el aislante, tiene por objeto hacer perfectamente cilíndrico el campo eléctrico en contacto con el conductor. La capa externa cumple análoga función en la parte exterior de aislamiento y se mantiene al potencial de tierra. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 15 de 31

16 Pantallas o blindajes: tienen como objeto proteger al cable contra interferencias exteriores, darle forma cilíndrica al campo eléctrico, derivar a tierra una corriente de falla, etc. Son los elementos metálicos generalmente de cobre, materializados en forma de cintas o alambres aplicados en forma helicoidal o cintas corrugadas. Protecciones mecánicas: protegen al cable contra daños mecánicos (tracción y esfuerzos cortantes o de cizalladura). Son las armaduras metálicas formadas por alambres o flejes de acero o aluminio (para cables unipolares). Envolturas exteriores: forman una barrera contra la humedad y las agresiones mecánicas externas. A continuación se detalla la imagen e información técnica de un catálogo de un conductor tripolar (1x3). Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 16 de 31

17 3.2. Características Principales Conductores Eléctricos BT. Resistividad: Es la pérdida de potencia que sufre una corriente eléctrica continua de un Amper de intensidad al atravesar un conductor de longitud y sección unitaria. Se mide en Ω * mm² / km. Resistencia: Al concepto inverso, esto es, la facilidad que presenta un material al paso de la corriente eléctrica se le denomina conductividad. La resistividad nominal, ρ, a la temperatura de 20 ºC es: - para el cobre recocido de 17,241 * Ω * mm² / km; y - para el aluminio de 28,264 * Ω * mm² / km. Las pérdidas que se producen cuando un conductor es atravesado por una corriente eléctrica son directamente proporcionales a su longitud e inversamente proporcionales a la sección, por lo que se calcula multiplicando la resistividad nominal, ρ, antes citada, por la longitud en km y se divide el producto por la sección en mm2. Se mide en Ω y, como antes, es la potencia disipada en forma de calor en el cable de que se trata al ser recorrido por una corriente de un Amper. La resistencia, R, referida a 20 ºC y a la longitud de 1 km es: - para el cobre: R 20 = R * 254,5 / (234,5 + t) * 1000 / L(metros). - para el aluminio: R 20 = R * 248 / (228 + t) * 1000 / L(metros) Factores de Instalación Se pueden adoptar las siguientes modalidades: a) En aire. b) Directamente enterrados. c) Enterrados en el interior de conductos. d) En galerías, transitables o no. Podrán ser de uno o más conductores y su sección será la adecuada a las intensidades a transportar y para no exceder las caídas de tensión máximas previstas en las normas. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 17 de 31

18 Las condiciones de instalación determinarán el tipo de protección, armadura o revestimiento exterior del cable, fundamentalmente por los esfuerzos que deba soportar el cable durante el tendido o en el servicio posterior. Según los casos, los cables irán dispuestos en bandejas, soportes o directamente sujetos a la pared mediante abrazaderas u otros dispositivos que proporcionen a la instalación una adecuada seguridad, en particular para soportar los esfuerzos electrodinámicos producidos en un eventual cortocircuito Intensidades Máximas Admisibles Dependerá de: Profundidad de la instalación. Resistividad térmica y naturaleza del terreno. Temperatura máxima del terreno a la profundidad de instalación. Proximidad de otros cables que transporten energía. Longitud de las canalizaciones dentro de tubos: número y agrupamiento de éstos, separación entre ellos y material que los constituya. Las tablas de capacidad de carga, incluidas en los catálogos de cables de diferentes fabricantes según las correspondientes normas IRAM, se prevén para condiciones "tipo" de la instalación; por ejemplo: aire libre (T ambiente = 40 ºC) o enterrado (T ambiente = 25 ºC). Intensidad de cortocircuito admisible: es brindada por el fabricante. Pueden estar expresadas en A/mm2, admisibles en los conductores de aluminio y de cobre de los cables aislados con materiales termoestables, en función de los tiempos de duración del cortocircuito o en A, para algunas secciones usuales Factores de Corrección Cuando las condiciones de la instalación sean distintas a las utilizadas como referencia ( tipo ) o hay más de un circuito en la misma canalización, se tomarán los factores de corrección que siguen: Factor de corrección por temperatura: cuando la temperatura ambiente es distinta a la de referencia, las intensidades de la tabla básica se deberán multiplicar por un factor de corrección que tenga en cuenta el salto térmico. Factor de corrección por agrupamiento: El calentamiento mutuo de los cables, cuando varios circuitos coinciden en la misma canalización (o un solo circuito tenga más de una terna en paralelo), obliga a considerar un factor de corrección adicional para tener en cuenta la mayor dificultad para disipar el calor generado, ya que esta situación equivale a una mayor temperatura ambiente. En el caso de cables enterrados existen otros factores a tener en cuenta: Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 18 de 31

19 - Factor de corrección para diferentes profundidades de tendido. - Factor de corrección para una resistividad térmica del terreno distinta de 1K*m/W Selección Conductores Criterios a tener en cuenta: Tensión nominal. Cálculo térmico. Tensión nominal: Es la que define la aislación. Se deberá cumplir en todo momento que su tensión nominal sea superior, o a lo sumo igual, a la tensión de servicio existente en la instalación (Un > Us). Los conductores para las instalaciones eléctricas de baja tensión son diseñados para tensiones de servicio de 1,1 kv. Cálculo térmico: Será el que determine en principio la sección del conductor. El valor eficaz de la intensidad de la corriente nominal del circuito no tendrá que ocasionar un incremento de temperatura superior a la especificada para cada tipo de cable. IMPORTANTE: no olvidarse de afectar a la intensidad admisible de carga del cable por los correspondientes factores de corrección. La intensidad admisible resultante deberá ser mayor que la intensidad demandada Verificación Conductores Seleccionados Elegido el tipo y sección de los conductores por la corriente demandada, su modo de instalación y temperatura ambiente, es necesario realizar dos verificaciones. De no cumplirse alguna de ellas, se optará por la sección inmediata superior y se vuelve a verificar hasta que ambas cumplan Verificación de la caída de tensión Considera la diferencia de tensión entre los extremos del conductor, calculada en base a la corriente absorbida por todos los elementos conectados al mismo y susceptibles de funcionar simultáneamente. Se deberá cumplir que no supere la máxima admisible determinada por la carga, de acuerdo con: U < U adm. Como valores de caída de tensión admisible se deben tomar: Circuitos de iluminación: U adm = 3%. Circuito de fuerza motriz: U adm = 5% (en régimen); y U adm = 15% (en arranque). Para su cálculo debe aplicarse la siguiente expresión: U = K I n L (R cosϕ + X senϕ) Donde: K = Constante referida al tipo de alimentación (de valor igual a 2 para sistemas monofásicos y 3 para trifásicos). Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 19 de 31

20 Verificación al Cortocircuito Se realiza para determinar la máxima solicitación térmica a que se ve expuesto un conductor durante la evolución de corrientes de breve duración o cortocircuitos. Existirá entonces, una sección mínima S que será función del valor de la potencia de cortocircuito en el punto de alimentación, el tipo de conductor evaluado y su protección automática asociada. En esta verificación se deberá cumplir con: S < SC; siendo SC la sección calculada térmicamente y verificada por caída de tensión. El cálculo de esta sección mínima está dado por: S > I CC x t / K. Fórmula válida para 100 ms < t < 5 seg. Siendo: - S = Sección mínima del conductor en mm 2 que soporta el cortocircuito. - I CC = Valor eficaz de la corriente de cortocircuito en Amperes. - t = Tiempo de actuación de la protección en segundos. - K = Constante propia del conductor, que contempla las temperaturas máximas de servicio y la alcanzada al finalizar el cortocircuito previstas por las normas. Si la S que verifica el cortocircuito es menor que la SC, se adopta ésta última. En caso contrario, se deberá incrementar la sección del cable y volver a realizar la verificación hasta que se compruebe S < SC. 4. Selección Transformadores de Distribución/Potencia Es un dispositivo que convierte energía eléctrica, con una tensión e intensidad determinadas, en energía eléctrica, con tensión e intensidad distintas o iguales a las anteriores, manteniendo la frecuencia. En esencia, un transformador está constituido por dos circuitos eléctricos acoplados magnéticamente, de tal manera que la influencia de un circuito sobre otro se hace a través de un flujo magnético (ley de Faraday) Características Principales Relación de transformación (a) o relación de vueltas: es la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario. La relación de la tensión entre el bobinado primario y el secundario depende de a: a = N P /N S = V P /V S S nominal : están normalizadas y se expresan en kva. > S n > Tamaño y > $ Rendimiento (η) = P entregada / P absorvida = P entregada / (P entregada + P pérdidas ). Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 20 de 31

21 Regulación bajo carga (reg) = (U o U n ) / U n o reg% = (U o U n ) / U n * 100. Tensión de cortocircuito (u CC ): hay un compromiso entre el interés en reducir en todo lo posible la corriente de cortocircuito y, por otra parte, la necesidad de limitar la caída de tensión en el transformador: u CC % = U CC / U n ; I CC = I n * U n / U CC ; U% = u CC % * senφ 4.2. Tipos Constructivos Son prácticamente los dos siguientes: Transformadores en baño de aceite mineral, Transformadores de aislamiento sólido a base de resinas, denominados transformadores secos. Transformadores en baño de aceite mineral: Son los utilizados muy mayoritariamente por las compañías distribuidoras para los CT de las redes públicas. El tipo actual es el denominado hermético, o de llenado integral, es decir, sin depósito conservador (o tanque compensador de aceite). La reducción en la cantidad de aceite, hace que en caso de incendio, las consecuencias y la peligrosidad del mismo sean menores por la menor cantidad de aceite combustible. Transformadores secos: En ellos, sus arrollamientos están encapsulados dentro de resina del tipo termoendurecible (resina epoxy) mezclada con una llamada carga activa pulverulenta formada básicamente de sílice y alúmina hidratada, y con aditivos endurecedor y flexibilizador. Este tipo es muy utilizado en SET o CD subterráneos y en Shoppings, etc. Son más costosos. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 21 de 31

22 4.3. Determinación de la carga La potencia consumida por un receptor (motor) es siempre mayor que su potencia útil, ya que todo receptor tiene unas pérdidas propias, por lo cual, su rendimiento es menor que uno. Por tanto, a los efectos de la determinación de la carga, lo que interesa es la potencia consumida (P cons. = P mec / η). Potencia de utilización: es la potencia que realmente consumirá cada receptor instalado, la cual será inferior a la potencia instalada. Hay que considerar 2 factores de cálculo de valor igual o inferior a uno: Factor de utilización o carga (f u o f c ): tienen en cuenta que los receptores (por ejemplo los motores) no acostumbran trabajar a su plena potencia. Factor de simultaneidad (f s ): tiene en cuenta que el conjunto de los receptores instalados no funcionan casi simultáneamente. En principio, el procedimiento consiste en atribuir a cada receptor, grupo o tipo de receptores un cierto factor de utilización f u o carga f c, y después, aplicar factores de simultaneidad f s por grupos de receptores, según sus características y/o su función así como por niveles en la instalación de distribución. La potencia aparente total (S T ) del transformador vendrá dada por: Donde: S T = (P T 2 + Q T 2 ) - P T es la potencia activa total demandada al transformador. - Q T es la potencia aparente total demandada al transformador. OBSERVACIONES: 1. En ciertos casos, es apropiado afectar a la potencia aparente calculada (S T ) por un factor de reserva f r, el cual tiene en cuenta una posible expansión de la instalación y, por tanto un aumento de la demanda del transformador. Este sobredimensionamiento, generalmente representa entre un 20% y un 30% de la S del transformador seleccionado. 2. En condiciones de elevadas demandas o numerosos sectores de demanda, puede ser recomendable la adopción de más de un transformador para la alimentación de la instalación. Esto permite suministrar toda la potencia demandada en periodos de mayor trabajo y mayor simultaneidad, y poder desconectar alguno en casos de menor demanda, alargando su vida útil, obteniendo beneficios a largo plazo. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 22 de 31

23 4.4. Especificación y Selección Tipo de transformador según los requerimientos de la instalación. Dimensiones: - Largo. - Ancho. - Alto. - Peso. Relación de transformación: a = V 1n /V 2n ; I 2n /I 1n. Potencia aparente: S n = S T * f r [kva]. Pérdidas: P o (en W). P CC (en W). u CC (en %). Indice del transformador (Ej.: Dy11). A continuación se detalla una tabla de Especificaciones Técnicas de un proveedor de transformador de potencia: Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 23 de 31

24 5. Corrección del Factor de Potencia El Factor de Potencia (FP) es la relación entre la potencia activa (W), y la potencia aparente (VA) y describe la relación entre la potencia de trabajo o real y la potencia total consumida. El FP está definido por la siguiente ecuación: FP = P/S El FP expresa en términos generales, el desfasamiento o no de la corriente con relación al voltaje y es utilizado como indicador del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica, el cual puede tomar valores entre 0 y, 1 siendo la unidad (1) el valor máximo de FP y, por tanto, el mejor aprovechamiento de energía Bajo Factor de Potencia Causas: Las cargas inductivas como motores, transformadores, etc., son el origen del bajo factor de potencia ya que son cargas no lineales (reactivas) que contaminan la red eléctrica. En este tipo de equipos el consumo de corriente se desfasa con relación a la tensión, lo que provoca un bajo factor de potencia. Consecuencias: Incremento de las pérdidas por efecto Joule. La potencia que se pierde por calentamiento está dada por la expresión I 2 R. Trae como inconveniente el sobrecalentamiento y, por tanto el deterioro del aislamiento de conductores. Sobrecarga de los generadores, transformadores y líneas de distribución. Se reduce su vida útil, debido a que estos equipos se diseñan para un cierto valor de corriente. Aumento de la caída de tensión. Insuficiente suministro de potencia a las cargas (motores, lámparas, etc.); estas cargas sufren una reducción en su potencia de salida. Incremento en la facturación eléctrica. Un bajo FP implica pérdidas de energía en la red eléctrica, lo que es penado por el distribuidor Tipos de Compensación A) Compensación global Ajusta la necesidad real de la instalación kw al contrato de la potencia aparente (S en kva). Observaciones: La corriente reactiva (I r ) está presente en la instalación desde el nivel de los capacitores hasta los receptores. Las pérdidas por efecto de Joule en cables no quedan disminuidas (kwh). Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 24 de 31

25 B) Compensación Parcial Optimiza una parte de la instalación, la corriente reactiva no se transporta entre los niveles 1 y 2 (camino en rojo). Observaciones: La corriente reactiva (I r ) está presente en la instalación desde el nivel de los capacitores hasta los receptores. Las pérdidas por efecto Joule en los cables se disminuyen (kwh). C) Compensación Individual D) Compensación Mixta Optimiza toda la instalación eléctrica. La corriente reactiva I r se abastece en el mismo lugar de consumo. Observaciones: La corriente reactiva no está presente en los cables de la instalación. Las pérdidas por efecto Joule en los cables se suprimen totalmente (kwh). De acuerdo al tipo de instalación y de receptores, coexisten la compensación individual y la parcial o global. Cualquiera sea el tipo de instalación adoptado: Suprime las penalizaciones por un consumo excesivo de potencia reactiva. Descarga el centro de transformación (potencia disponible en kw) Compensación Fija o Variable Compensación fija: Es aquella en la que se suministra a la instalación, de manera constante, la misma potencia reactiva. Debe utilizarse cuando se necesite compensar una instalación donde la demanda reactiva sea constante. Es recomendable en aquellas instalaciones en las que la potencia reactiva a compensar no supere el 15% de la potencia nominal del transformador (S n ). Compensación variable: Es aquella en la que se suministra la potencia reactiva según las necesidades de la instalación.debe utilizarse cuando nos encontremos ante una instalación donde la demanda de reactiva sea variable. Es recomendable en las instalaciones donde la potencia reactiva a compensar supere el 15% de la potencia nominal del transformador (S n ). Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 25 de 31

26 5.4. Ventajas de la compensación Reducción de los recargos: Se suprime las penalizaciones aplicadas por las compañías eléctricas por un consumo excesivo de energía reactiva. Reducción de las caídas de tensión: La instalación de condensadores permite reducir la energía reactiva transportada disminuyendo las caídas de tensión en la línea. Reducción de la sección de los conductores: Por la misma razón del punto anterior, es posible disminuir la sección de los conductores a instalar. Disminución de las pérdidas: La instalación de condensadores permite reducir las pérdidas por efecto Joule que se producen en los conductores y transformadores. Aumento de la potencia disponible en la instalación sin ampliar equipos: Esto es consecuencia de la reducción de la intensidad de corriente que se produce al mejorar el factor de potencia Capacidad Requerida Datos requeridos: Cosφ i : factor de potencia a corregir. Cosφ f : factor de potencia deseado. P: potencia activa demandada. Q i : potencia reactiva a compensar. Cálculo: Q C = Q i Q f = Q i P * tgφ f, donde: - Qf = potencia reactiva final. - φf = arccos φf. Calculo de la capacidad: Q C = 3 * V f / X C = 3 * V f * ω * C C = Q C / (3 * V f * ω) Importante: Conexión triángulo: V f = V L Conexión estrella: V f = V L / 3 Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 26 de 31

27 6. Elementos de Protección y de Maniobra Una elevación de la corriente normal de carga es un síntoma de anomalía en el circuito. De acuerdo a su magnitud y a la rapidez de su crecimiento, se puede tratar de sobrecargas o cortocircuitos. Esta corriente de falla aguas abajo del aparato de maniobra, si no es cortada rápidamente, puede ocasionar daños irreparables en personas y bienes Elementos de Protección y Elementos de Maniobra para Motores Muchos dispositivos en el mercado ofrecen protección de motores trifásicos, la oferta es amplia y contempla desde los clásicos relés térmicos de sobrecarga, los guardamotores térmicos contra sobrecargas o termomagnéticos contra sobrecargas y cortocircuitos, arrancadores electrónicos suaves de tensión, los relés electrónicos de sobrecarga, hasta las últimas tecnologías de protecciones integrales y las protecciones totales para motores trifásicos. Se deben garantizar las siguientes funciones necesarias para un motor eléctrico: Seccionamiento: Es una condición de seguridad. Debe garantizar al operador la aislación eléctrica de los circuitos de potencia y comando con respecto a la alimentación general. Conmutación: La conmutación consiste en establecer, cortar y, en el caso de variación de velocidad, regular la corriente absorbida por un motor. Se utiliza cuando se requiere un comando automático y gran cadencia de maniobras. Protección contra cortocircuitos: Un cortocircuito se manifiesta por un aumento excesivo de corriente, que alcanza en pocos milisegundos un valor igual a centenas de veces la corriente de empleo. Debe detectar el defecto e interrumpir el circuito muy rápidamente. Si es posible, antes de que la corriente llegue a su valor máximo. Protección contra sobrecargas: La sobrecarga es el defecto más frecuente sobre las máquinas. Se manifiesta por un aumento de la corriente absorbida por el motor y por sus efectos térmicos Elementos Eléctricos para Protección contra Cortocircuitos Fusibles (BT) Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 27 de 31

28 Quizá el dispositivo más simple de protección del motor contra sobreintensidades. También pueden proteger contra sobrecargas. Interrumpen los circuitos por fusión de partes, bajo el efecto del calor propio, generado por la corriente que lo circula. El material de relleno posibilita un mejor y más rápido apagado del arco y evita el reencendido al ocupar los espacios de aire. Son de reducido tamaño, poco peso, no requieren mantenimiento y poseen gran capacidad de ruptura. Algunos presentan tiempos de interrupción menores a 5ms, por lo que la corriente de CC no llega a su valor máximo. Se especifican según: Tipo constructivo: NH, Diazed, Capelin Tensión de servicio. Corriente nominal: In [A]. Capacidad de ruptura: Ik [ka]. Tipo de curva de fusión: gl (cables), am (motores), gg (electrónica), etc. Selección de curva calibre según el caso. Selectividad: Es importante tenerla en cuenta, ya que de ello dependerá el buen funcionamiento de los circuitos. La selectividad entre dos fusibles se determina gráficamente mediante la comparación de ambas características de disparo; para ello, las curvas, a la misma escala, no deben cortarse ni ser tangentes. Nota: en el caso de intensidades muy grandes de cortocircuito, los tiempos de fusión son extremadamente cortos y solamente es posible la selectividad en fusibles con una notable diferencia de valor nominal de la intensidad. Desventajas de los Fusibles Envejecimiento del elemento fusible por el uso (descalibración). Diversidad de formas, tamaños y calibres. Ante la fusión de un fusible hay que cambiar el juego completo de la salida. Disponibilidad del calibre adecuado para el reemplazo. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 28 de 31

29 Invariabilidad de sus tiempos y forma de actuación para adaptarlo a nuevas configuraciones Interruptores Magnéticos Son interruptores automáticos que reaccionan ante sobreintensidades de alto valor, cortándolas en tiempos lo suficientemente cortos como para no perjudicar ni a la red ni a los aparatos asociados a ella. Protección de mejor performance, invariable con el tiempo, flexible por su capacidad de adaptación a nuevas cargas. A continuación se muestra una curva característica de un disparo magnético: El dispositivo permite trabajar en la zona A pero no en la B. La desconexión se efectúa cuando las condiciones del circuito llegan a la zona rayada de separación entre ambas. El límite inferior de la curva viene determinado por el tiempo que transcurre desde el instante de establecimiento de la intensidad, hasta la extinción del arco. Este tiempo marca la inercia mecánica y eléctrica propia de estos aparatos Guardamotores Magnetotérmicos / Interruptores Magnetotérmicos Son elementos de protección que actúan abriendo el circuito eléctrico ante la aparición tanto de corrientes de sobrecargas (operación por encima de los valores nominales/admisibles del equipamiento eléctrico que se desea proteger) como corrientes de cortocircuito (fallas eléctricas que provocan elevadas sobreintensidades). Un guardamotor magnetotérmico es un elemento eléctrico que cumple la misma funcionalidad que un interruptor automático, pero que es diseñado para proteger esencialmente a motores eléctricos. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 29 de 31

30 Este diseño especial proporciona a este elemento una curva de disparo que lo hace más robusto frente a las sobreintensidades transitorias típicas de los arranques de los motores. El disparo magnético es equivalente al de otros interruptores automáticos, pero el disparo térmico se produce con una intensidad y tiempo mayores. Las características principales de los guardamotores, al igual que la de los interruptores automáticos magneto-térmicos son: la capacidad de ruptura (capacidad de limitación de la corriente de cortocircuito), la intensidad nominal o calibre y la curva de disparo. La diferencia existente entre estos componentes, radica en que los guardamotores magnetotérmicos son regulables. Se puede regular la corriente de ajuste para regular la actuación térmica de estos equipamientos Elemento de Maniobra: Contactor Los contactores son elementos eléctricos de potencia que poseen la 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". Un contactor es un elemento eléctrico que posee la capacidad de conmutar cargas nominales, pero que no posee la capacidad de apertura del dispositivo ante aparición de sobreintensidades (fallas: sobrecargas y/o cortocircuitos); por ende es un dispositivo de maniobra y no de protección. El contactor electromagnético es un aparato mecánico de conexión comandado por un electroimán. Cuando la bobina del electroimán está alimentada, el contactor se cierra; estableciendo por intermedio de los polos el circuito entre la red de alimentación y el receptor. Los contactores son aparatos robustos que pueden ser sometidos a exigentes cadencias de maniobras con distintos tipos de cargas. La norma IEC define distintos tipos de categorías de empleo que fijan los valores de la corriente a establecer o cortar mediante contactores Categorías AC de Contactores Categoría AC1 - Se aplica a todos los aparatos de utilización en corriente alterna (receptores), cuyo factor de potencia es al menos igual a 0,95 (cos ϕ > 0,95). Ejemplos: calefacción, distribución, iluminación. Categoría AC2 - Se refiere al arranque, al frenado en contracorriente y a la marcha por impulso de los motores de anillos. Al cierre, el contactor establece la intensidad de arranque del orden de 2,5 veces la intensidad nominal del motor. A la apertura el contactor debe cortar la intensidad de arranque con una tensión menor o igual a la tensión de la red. Ejemplos: Puentes grúa, grúas pórtico con motores de rotor bobinado. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 30 de 31

31 Categoría AC3 - Se refiere a los motores de jaula, y el corte se realiza a motor lanzado. Al cierre, el contactor establece la intensidad de arranque con 5 a 7 veces la intensidad nominal del motor. A la apertura, corta la intensidad nominal absorbida por el motor. En este momento la tensión en los bornes de sus polos es del orden del 20% de la tensión de la red, por lo que el corte es fácil. Ejemplos: Todos los motores de jaula, ascensores, escaleras mecánicas, compresores, bombas, ventiladores, etc. Categoría AC4 - Esta categoría se refiere a las aplicaciones con frenado a contracorriente y marcha por impulso utilizando motores de jaula o de anillos. El contactor se cierra con un pico de corriente que puede alcanzar 5, incluso 7 veces, la intensidad nominal del motor. La tensión puede ser igual a la de la red. El corte es severo. Ejemplos: trefiladoras, metalurgia, elevación, ascensores, etc Elección de Contactores Es necesario conocer las siguientes características del receptor: La tensión nominal de funcionamiento, en voltios (V). La corriente de servicio (I e ) que consume, en amperios (A). La naturaleza y la utilización del receptor, o sea, su categoría de servicio (AC ). La corriente cortada, que depende del tipo de categoría de servicio y se obtiene a partir de la corriente de servicio, amperios (A). Es importante no confundir la corriente de empleo I e con la corriente térmica I th. I e : Es la corriente que un contactor puede operar y está definida para la tensión nominal, la categoría de empleo (AC1, AC3,...) y la temperatura ambiente. I th : Es la corriente que el contactor puede soportar en condición cerrado por un mínimo de 8 horas, sin que su temperatura exceda los límites dados por las normas. La vida eléctrica, expresada en ciclos de maniobra, es una condición adicional para la elección de un contactor y permite prever su mantenimiento. En los catálogos de contactores se incluyen curvas de vida eléctrica en función de la categoría de utilización. Pasos a seguir para la elección de un contactor: Obtener la corriente de servicio (I e ) que consume el receptor. A partir del tipo de receptor, obtener la categoría de servicio. A partir de la categoría de servicio elegida, obtener la corriente cortada (I c ) con la que se obtendrá el calibre del contador. Autor: Ing. Julián Jorge Ronco Pág. 31 de 31