Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico DEFINICIÓN DE UNA ESTRATEGIA DE CONSTRUCCIÓN Y ESTIMACIÓN DE LOS COSTOS DE LA PRODUCCIÓN DE CONVERTIDORES ROTATORIOS DE FASE DE 5 a 25Hp Por: Jose Pablo Barquero Ávila i

2 DEFINICIÓN DE UNA ESTRATEGIA DE CONSTRUCCIÓN Y ESTIMACIÓN DE LOS COSTOS DE LA PRODUCCIÓN DE CONVERTIDORES ROTATORIOS DE FASE DE 5 a 25Hp Por: JOSE PABLO BARQUERO ÁVILA Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Ing. JAIME ALLEN FLORES Profesor Guía Ing. OSCAR NÚÑEZ MATA Ing. MAURICIO CESPEDES Profesor lector Profesor lector

3 DEDICATORIA A todas las personas que de una u otra forma contribuyeron en mi formación, a los(as) que siempre estuvieron ahí y especialmente a mi familia.

4 RECONOCIMIENTOS A los Profesores Jaime Allen y Oscar Núñez, por su guía en la elaboración de este proyecto.

5 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS...vii ÍNDICE DE TABLAS...viii NOMENCLATURA...x Resumen...xi Capítulo 1: Introducción Objetivos 1.1.1Objetivo general Objetivos específicos Metodología...3 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico Convertidores de fase Convertidores estáticos Ventajas y desventajas de Los convertidores estáticos de fase Convertidores Rotatorios Características de salida Angulo de Fase Capacidad de un convertidor rotatorio de fase Principales aplicaciones de los convertidores Rotatorios de Fase Componentes de un convertidor Rotatorio de Fase Motor de inducción Jaula de ardilla Rotor Bobinado Propiedades de los motores Asíncronos de inducción Temporizador Capacitores Contactores Comportamiento del motor de inducción Trifásico Alimentado con energía monofásica Sin Capacitor de arranque Con capacitor de arranque Comportamiento del motor trifásico trabajando con solo dos fases Factores que afectan la eficiencia del convertidor rotatorio...28 CAPÍTULO 3: Diseño y Recomendaciones para la construcción de convertidores Rotatorios de Fase...29

6 3.1 Consideraciones para el diseño de un convertidor Recomendaciones de diseño: Motor a utilizar: Capacitores: Valores de capacitancias requeridos:...31 Temporización del capacitor de arranque...34 Calibre de los cables: Diseño del convertidor a implementar Motor del convertidor: Calibre del cable:...40 Tamaño del cable trifásico:...40 Tamaño del cable monofásico: Fusibles a utilizar: Capacitores a utilizar: Circuito de control...43 Contactor del motor...44 Contactor de arranque...44 Temporizador...45 Botones a utilizar Variación en los elementos para convertidores de distintas potencias Estimación de costos de construcción del convertidor Costos de producción convertidor implementado Costos de producción de convertidores utilizando diferentes componentes Recomendaciones para la construcción y operación de convertidores rotatorios de fase...54 Capitulo 4 Pruebas Realizadas al Convertidor Implementado Característica de salida Valores de Capacitancias Utilizados Capacitancia de Arranque Capacitancias de Trabajo Zona de operación del convertidor implementado Eficiencia del convertidor...63 Capitulo 5 Conclusiones y Recomendaciones...66 Recomendaciones para montar y operar Convertidores rotatorios de fase Recomendaciones acerca del equipo necesario...68 Conclusiones obtenidas de la teoría...69 Conclusiones obtenidas del trabajo en el laboratorio...70 BIBLIOGRAFÍA...72 Anexos...74

7 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Implementación de un convertidor rotatorio utilizando...6 un convertidor estático[13]...6 Figura 2.2 Característica de salida de un Convertidor rotatorio[2]...9 Figura 2.3 Diagrama de conexión de un Convertidor rotatorio [2]...12 Figura 2.4 Conexión en paralelo de dos Convertidores rotatorios [2]...13 Figura 2.5 Diagrama de conexión para un Convertidor rotatorio [2] Figura 2.6 Rotor Jaula de ardilla[7]...16 Figura 2.7 Motor de inducción Jaula de ardilla[14]...16 Figura 2.8 Motor de inducción rotor devanado[11]...17 Figura 2.9 Esquema de las bobinas del estator del motor trifásico...22 Figura 2.10 Esquema de las bobinas del estator del motor trifásico...25 Figura 3.1 Característica de salida de un Convertidor rotatorio Tensión de línea Vs Carga [2]...33 Figura 3.2 Esquema básico del convertidor rotatorio de fase a implementar...38 Figura 3.3 Esquema básico del circuito de control de convertidor rotatorio...43 Figura 4.1 Comportamiento de la tensión entre T1 y T3 para distintos...60 valores de capacitancia...60 Figura 4.2 Característica de Salida del convertidor implementado...61 Figura 4.3 Comportamiento del factor de potencia de la carga alimentada...63 Figura 4.4 Comportamiento de la eficiencia del sistema...64

8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1 Tamaños recomendados para cables y fusibles [1]...36 Tabla 3.2 Valores y capacidades de los elementos para convertidores de mayor potencia Tabla 3.3 Precio de Contactores aptos para el motor del convertidor...48 Tabla 3.4 Precio de temporizadores...48 Tabla 3.5 Precio de Capacitores para el convertidor...49 Tabla 3.6 Precio de botonera y gabinete...49 Tabla 3.7 Precio de posible mano de obra...50 Tabla 3.8 Elección #1 Precio de componentes para el convertidor implementado...51 Tabla 3.9 Elección #2 Precio de componentes para un convertidor de 7.5 Hp...52 Tabla 3.10 Elección #3 Precio de componentes para un convertidor de 7.5 Hp...53 Tabla 3.11 Resumen de costos de producción para las diferentes elecciones de componentes...54 Tabla A.1 Datos utilizados para obtener el grafico mostrado en la figura 4.1 (Característica de salida para diferentes valores de capacitancia)...74 Tabla A.2 Se presentan los datos obtenidos con el Analizador para graficar el comportamiento del voltaje en terminales ante el aumento en la carga. (Característica de salida final del convertidor) Tabla A.3 Datos utilizados para obtener el grafico mostrado en la figura Tabla A.4 Datos utilizados para obtener el grafico mostrado en la figura 4.4 (Eficiencia del convertidor)...76

9 NOMENCLATURA (Debe de incluir aquí la simbología utilizada en todo el proyecto, por ejemplo:) L1 Línea de alimentación monofásica 1. L2 Línea de alimentación monofásica 2. T1 Línea trifásica # 1. T2 Línea trifásica #2. T3 Línea trifásica #3 esta es la fase generada en el convertidor. C.T 1 Capacitor de trabajo colocado entre L1 y T3. C.T 2 Capacitor de trabajo colocado entre L2 y T3. C.A Capacitor de arranque. NEC National Electric Code B.CP Bobina Contactor de potencia (Motor) B.CA Bobina Contactor de arranque (Capacitor de Arranque)

10 Resumen El principal objetivo del proyecto fue definir una estrategia de construcción de convertidores rotatorios de fase, estimar los costos de producción de los mismos y realizar pruebas con el fin de obtener datos acerca de su eficiencia. Primero se consulto bibliografía la cual en su mayoría corresponde a diferentes artículos, publicados en Internet donde se trata el tema, esto con el fin de comprender el funcionamiento de este tipo de convertidor así como conocer de que modo están construidos estos convertidores. Una vez que se cubrió el asunto de los conceptos y conocer las partes que conforman un convertidor se procedió con la implementación de un convertidor rotatorio de fase el mismo se implemento utilizando un motor de 3Hp y se coloco el laboratorio de maquinas eléctricas de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica, en este mismo laboratorio se realizaron las pruebas que tuvieron como fin obtener valores para la eficiencia del convertidor, para cargar el convertidor se utilizo un motor de inducción de 4Hp, esto no esta del todo bien ya que para estos convertidores las cargas deben de ser de una potencia menor o igual a la potencia del motor del convertidor, pero se hizo de esta manera pues no se contaba con otro tipo de cargas que se pudieran aplicar. Luego de implementar el convertidor procedió a realizar una estimación de costos de producción del convertidor que se implemento., esto por que era necesario conocer el

11 tiempo promedio que se tardaba en montar y realizar las pruebas necesarias para dejar operando el convertidor rotatorio de fase. Se realizaron las pruebas necesarias para obtener datos de los cuales se pudiera encontrar un valor para la eficiencia del convertidor. Se llego a la conclusión que este tipo de convertidor se comporta de mejor manera para cargas mayores. Cuando se opera a un bajo nivel de carga la eficiencia es menor y esta aumenta, conforme se aumenta el nivel de carga.

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13 Capítulo 1: Introducción Una características del sistema de distribución eléctrica con el que se cuenta en el país es que el servicio trifásico solo se encuentra en cercanías de grandes sectores comerciales e industriales así como en áreas de gran densidad de carga, pero brindar este servicio en áreas residenciales o áreas donde se encuentren pequeños negocios no resulta rentable, por lo cual es imposible obtener el servicio trifásico de la compañía en estos sectores. Gran numero de pequeñas empresas se encuentran situadas en estas zonas, esto es un problema ya que deben operar con maquinas monofásicas y como es bien conocido estas presentan baja eficiencia y un mal factor de potencia, esto representa un problema para las empresas, también los motores monofásicos normalmente se encuentran para potencias por debajo de los 10 hp, esto aunado a que hay diversas maquinas que operan forzosamente con motores trifásicos, de aquí que se ha buscado soluciones para obtener energía trifásica a partir de la energía monofásica que brinda la compañía de distribución eléctrica, una de estas soluciones han sido los convertidotes rotatorios de fase, estos pueden encontrarse en diferentes potencias y se escogen según sea la carga trifásica que deba alimentar, pueden encontrarse los que algunas compañías venden para una carga especifica o algunos que han sido construidos casi de modo artesanal, de aquí la inquietud de definir una estrategia de construcción de convertidores rotatorios de fase, así como estimar los costos de la producción de los mismos, además se fija un rango de potencias entre 5 y 25 Hp ya que se considera que este es el ámbito de mayor uso de estos convertidores.

14 2 1.1 Objetivos Objetivo general Definir una estrategia de construcción de convertidores rotatorios de fase de 5 hp a 25 hp Objetivos específicos Diseñar 3 sistemas de control para los convertidores de 5 a 25 hp. Especificar materiales y mano de obra necesaria para construir los convertidores. Cálculo de costos. Se analizaran componentes de distintas calidades Establecer procedimientos, así como dar recomendaciones, para la correcta instalación, operación y mantenimiento del convertidor. Construir un convertidor y realizar pruebas de laboratorio con el fin de determinar potencias mínimas y máximas y la eficiencia.

15 3 1.2 Metodología La primera etapa de este proyecto consiste en la definición de una base teórica donde se expliquen diversos conceptos relacionados con el proyecto, se explicaran características de los convertidores rotatorios de fase, así como las implicaciones de trabajar con energía monofásica y trifásica, se explicara como se puede hacer funcionar un motor trifásico a partir de energía monofásica también se dedicara una parte de este marco teórico para hablar de capacitores, especialmente los utilizados en este tipo de aplicaciones. Luego de tener claros los conceptos que se encuentran en la parte teórica donde se explican conceptos importantes se procederá a realizar la parte del diseño de un sistema de convertidor rotatorio de fase, se pretende realizar este diseño para tres diferentes convertidores la diferencia en los diseños será básicamente la potencia ya que se planea hacerlo para tres diferentes potencias. Una vez realizado los tres diseños se procederá a realizar una estimación de los costos para el montaje de un convertidor rotatorio de fase, se harán cotizaciones de los materiales necesarios y se planea cotizar diferentes calidades de los componentes esto con el fin de analizar la diferencia en precio que representa el usar unos u otros componentes. Establecer un procedimiento para la correcta instalación operación y mantenimiento del convertidor tomando en cuenta las características de los diferentes componentes que lo conforman, las cargas que se encuentran conectadas a este convertidor y el lugar donde esta operando el mismo, lo que se pretende es dar recomendaciones para prolongar la vida útil así como un aprovechamiento optimo del convertidor.

16 4 Después de haber cumplido con lo planteado anteriormente se procederá al montaje de un convertidor rotatorio de fase, este montaje se realizara en el laboratorio de maquinas eléctricas de la escuela de ingeniería eléctrica, la potencia de este convertidor a implementar se definirá mas adelante. La idea de realizar el montaje de este convertidor con el fin de realizar pruebas experimentales donde se obtenga el comportamiento de este al aplicarle carga además de realizar pruebas con el fin de obtener la eficiencia de este convertidor implementado.

17 5 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico 2.1Convertidores de fase. Se puede encontrar dos tipos de convertidores de fase, A SABER: Estáticos y Rotatorios, como su nombre lo indica la diferencia más notoria entre ambos tipos es que uno funciona mediante conexión y desconexión de capacitores de modo que no tiene partes móviles, mientras el segundo funciona mediante el efecto de inducción que se da en el motor. 2.2Convertidores estáticos Estos convertidores usualmente son mas baratos que los convertidores rotatorios, pero presentan la desventaja que son funcionales para trabajar con motores de bajo nivel de carga, de modo que dependiendo de la aplicación resulta mejor utilizar convertidores rotatorios. Los convertidores de fase estáticos son equipos muy económicos, diseñados solo para poner en operación motores trifásicos, no generan la tercer fase, estos unen la tercera línea a alguna de las dos líneas de alimentación monofásica mediante una capacitancia. Estos equipos solo deben emplearse en motores eléctricos trifásicos donde su carga no sea mayor del 70% de la potencia de este. Para motores con cargas mayores al 70% y para cargas distintas a motores, debe usar un convertidor rotatorio. En ocasiones los mismos fabricantes recomiendan utilizar convertidores rotatorios cuando se necesita operar motores a un 100% de su potencia. La recomendación de estos fabricantes es utilizar un convertidor estático para realizar el proceso de arranque del motor que conforma convertidor rotatorio, esto se puede observar en la siguiente figura.

18 6 Figura 2.1 Implementación de un convertidor rotatorio utilizando un convertidor estático[13] Ventajas y desventajas de Los convertidores estáticos de fase El presente trabajo pretende abarcar el tema de convertidor rotatorio de fase, sin embargo es importante también mencionar, algunas características de los convertidores estáticos, pues dependiendo de la aplicación este tipo de convertidor podría ser utilizado en lugar de un convertidor rotatorio, representando una opción mas económica. Ventajas: Instalación sencilla pues para instalar este tipo de convertidor solo se necesita fijar el lugar donde se ubicara y conectar los cables en su respectivo lugar. Resulta ser un equipo relativamente económico para poner en operación motores trifásicos. Larga vida. Funcionales para ciclos de arranques largos y pesados.

19 7 Funcionan para implementar convertidores rotatorios ya que funcionan como circuito de arranque solo es necesario adicionar el motor para tener el convertidor rotativo. Desventajas: Aplicaciones limitadas únicamente se puede alimentar motores con este tipo de convertidor.] Los motores que operen con este tipo de convertidor deben operar a un 60% de su potencia nominal. (tomando en cuenta el punto anterior). Los convertidores estáticos deben escogerse para un rango de operación es decir tienen potencia mínima y potencia máxima de operación. Solo se consiguen para rangos potencias bajas o medianas los mas grandes son para potencias de entre 40 y 50 Hp. 2.3Convertidores Rotatorios. Un error de concepto muy común es pensar que un convertidor rotatorio de fase es algo similar a un conjunto de motor-generador Cuando en realidad un convertidor rotatorio se puede construir a partir de un motor trifásico, añadiendo un par de bancos de capacitores de trabajo y un banco de capacitores de arranque. Un convertidor rotatorio tiene en si mismo un pequeño convertidor estático este es el capacitor de arranque, cuando la corriente circula por las bobinas crea un campo giratorio,

20 8 este campo atraviesa cada grupo de bobinas que se encuentran separadas por 120 grados mecánicos, producto de este flujo giratorio se obtiene a la salida ondas sinusoidales desfasadas 120 grados entre si. Las magnitudes de estas fases pueden ser diferentes, debido al los capacitores o al efecto de inducción que puede presentarse con mayor efecto en unas bobinas que en otras, sin embargo es indiscutible que se produce voltaje trifásico en las terminales del motor, además una ventaja de este tipo de convertidores es que usualmente el voltaje trifásico generado tiende a ser balanceado o fácil de balancear y además las ondas están desfasadas exactamente 120 grados. Este proceso de inducción es similar al que se da en un transformador, donde el secundario es el rotor, este transformador rotativo tiene una relación de transformación 1:1, esto quiere decir que lo que hace es convertir el voltaje monofásico a trifásico manteniendo la magnitud del voltaje de la fuente monofásica. Bajo condiciones normales de carga los convertidores rotatorios pueden trabajar de manera continua 24 horas al día, cada día, pueden trabajar sin carga o en condición de plena carga, no necesitan ser desconectados excepto para las debidas inspecciones periódicas o para darle mantenimiento 2.3.1Características de salida Como se menciono anteriormente la calidad de la energía trifásica obtenida con este convertidor depende de varios factores como lo son, la capacidad del convertidor, la demanda de la carga que se este alimentando, esta se afecta especialmente cuando se dan arranques de motores (pueden ser compresores o bombas por ejemplo), el factor de

21 9 potencia de la carga que se este alimentando y la técnica que se haya utilizado para balancear al voltaje entre las fases. También es importante mencionar que el comportamiento de la salida en un convertidor rotatorio de fase varia con la carga y al igual que la mayoría de las maquinas eléctricas se comporta de mejor manera cuando se encuentra a plena carga, ya que en condición de vació las perdidas son mayores y disminuyen conforme se aumenta la carga. Cuando el convertidor se encuentra en vació el voltaje en la línea manufacturada tiende a presentar un voltaje bastante alto y este disminuye y se estabiliza conforme se aumenta la carga, pero una ves sobrepasado el 100% de la carga este voltaje tiende a caer rápidamente, este comportamiento se describe en la siguiente figura. Figura 2.2 Característica de salida de un Convertidor rotatorio[2].

22 10 Cuando se da el arranque de un convertidor rotatorio es importante esperar que este alcance su velocidad nominal y luego de alcanzado este punto se puede colocar carga al convertidor Angulo de Fase Como en un motor trifásico los arreglos de los devanados des estator están colocados de modo que aya una separación de 120 grados mecánicos entre cada bobinado, entonces al tener un campo magnético girando en el interior del motor y siempre y cuando este campo gire a velocidad constante se obtendrán ondas desfasadas 120 grados eléctricos en las terminales del motor, este efecto es similar al que ocurre en un generador donde las ondas generadas están desfasadas 120 grados eléctricos y la frecuencia de estas ondas generadas depende de la velocidad de giro del rotor, de modo que sin importar el nivel de carga del convertidor la separación entre los bobinados en el estator no varia de modo que las ondas que se encuentren en las terminales del convertidor siempre presentaran un desfase cercano a 120 grados eléctricos entre si Capacidad de un convertidor rotatorio de fase. Un convertidor rotatorio puede manejar cargas de alrededor de 3 veces la potencia indicada en la placa del motor que lo conforma, siempre y cuando la carga este conformada por motores y que se respete que el motor de mayor potencia conectado sea de una potencia

23 11 igual a la potencia nominal del motor del convertidor, el resto de las cargas puede estar conformada por motores de menor potencia, por ejemplo un convertidor implementado con un motor de 25hp puede manejar fácilmente 75 hp siempre y cuando el motor mas grande conectado sea de 25hp, esto por que así podrá soportar sin ningún problema la corriente de arranque de este motor que posiblemente será muy parecida a la corriente de arranque del motor del convertidor y los restantes 50 hp pueden ser conformados por motores de menor potencia. Un convertidor rotatorio puede operarse sin capacitores de trabajo siempre y cuando la carga no sobrepase 2/3 de la potencia nominal del motor que conforma el convertidor, este tipo de operación no es muy recomendable debido a que se presenta mala regulación de tensión y el voltaje inducido en la línea T3 será muy poco estable, por lo que no se puede contar con esta línea de modo que se puede suponer que el motor esta trabajando con solo dos fases Estructura del convertidor. Para entender como funciona un convertidor rotatorio de fase, primero es necesario comprender como esta conformado y como se realiza la conexión entre sus diferentes partes. Un convertidor rotatorio de fase requiere dos líneas con fases simples (energía monofásica), estas serán llamadas L1 y L2 el diagrama básico de conexión se muestra en la siguiente figura :

24 12 Figura 2.3 Diagrama de conexión de un Convertidor rotatorio [2]. Como se observa en la figura se podría decir que la carga y el convertidor están conectados en paralelo respecto a las líneas de fase simple (L1 y L2) la tercera línea (T3) es la única que sale directamente del convertidor, esta es llamada fase creada o manufacturada. El trabajo del convertidor es producir voltaje en esta tercera línea y además regular el voltaje y la corriente entre las tres líneas. El desempeño del convertidor depende de varias variables como el tipo de convertidor, la magnitud de la carga, el factor de potencia y la estabilidad de la alimentación monofásica. También se puede dar la opción de colocar varios convertidores rotatorios trabajando en paralelo, esto en casos donde se hayan dado ampliaciones en la carga o que simplemente se desee utilizar dos convertidores, previendo que en el momento que uno salga de operación el otro convertidor pueda llevar parte de la carga.

25 13 Figura 2.4 Conexión en paralelo de dos Convertidores rotatorios [2]. A continuación se muestra el circuito equivalente simplificado de un convertidor rotatorio de fase n este caso solo se cuenta con una capacitancia de trabajo: Figura 2.5 Diagrama de conexión para un Convertidor rotatorio [2].

26 14 En este caso el diagrama se muestra con un solo capacitor de trabajo, usualmente se colocan dos capacitores de trabajo uno entre las líneas L2 y T3 y otro entre las líneas L1 y T3. Además el capacitor de arranque se coloca entre las líneas L2y T3 o L1 y T Principales aplicaciones de los convertidores Rotatorios de Fase. Como se ha mencionado anteriormente la función principal de un convertidor de fase en obtener energía trifásica a partir de energía monofásica, en sitios donde la compañía de distribución eléctrica no brinda el servicio, pero hasta el momento no se ha mencionado aplicaciones especificas, aunque es conocido que los convertidores rotatorios d fase, presentan gran versatilidad para trabajar en diferentes tareas, a continuación se mencionan algunas áreas donde se pueden utilizar y su posible aplicación. En la industria: para maquinas de soldar, acabar, cortar y dar forma a metales, en sistemas de ventilación, bandas transportadoras, manejo de compresores, sistemas de bombeo, etc. En los negocios: para la impresión, sistemas de televisión, estaciones de radio, restaurantes, marinas, lavado de autos, lavandería; En la agricultura: barrenas, elevadores, empaquetadoras, granjas y lecherías, Sistemas de irrigación(bombeo). En la industria maderera: para trabajo en aserraderos, el equipo de transporte de materia prima (Troncos de los árboles).

27 Componentes de un convertidor Rotatorio de Fase Un convertidor rotatorio esta compuesto por varias partes y componentes, cada una de las piezas tiene una función especifica dentro del funcionamiento del convertidor. La pieza mas importante consiste en el motor que se utilice generalmente este motor consiste un motor de inducción jaula de ardilla, también se deben utilizar tres diferentes capacitancias, una de arranque y dos de trabajo, además de estos elementos se debe utilizar contactores para activar y desactivar el convertidor, también un temporizador para desconectar la capacitancia de arranque Motor de inducción Jaula de ardilla El motor de jaula de ardilla es el mas común y utilizado en loa industria, son pequeños de bajo precio y de fácil mantenimiento. La característica principal de este tipo de motor esta en la construcción del rotor, este esta constituido por barras longitudinales generalmente de cobre que se encuentran unidas en sus extremos a un anillo conductor que se encarga de cortocircuitar todas las barras, se puede decir que cada conductor forma una espira con el conductor que se encuentra en el lado opuesto. Usualmente las barras del rotor están inclinadas ya que esto mejora las propiedades del motor en el arranque.

28 16 Figura 2.6 Rotor Jaula de ardilla[7] Por otra parte el estator de un motor de inducción de jaula de ardilla es igual al Estator de un motor de rotor devanado y al del motor sincrónico. Figura 2.7 Motor de inducción Jaula de ardilla[14]

29 Rotor Bobinado El motor de inducción de Rotor bobinado (o devanado) surge, por la necesidad de solucionar algunos problemas que presenta el motor de rotor de jaula de ardilla, como lo son el control de velocidad a frecuencia constante y la elevada corriente de arranque. La estructura del estator de este motor, así como su devanado no varia respecto al motor de jaula de ardilla, las diferencias están en la construcción del rotor. El motor de rotor bobinado cuenta un con un rotor en el cual se encuentran alojados, tres devanados de fase conectados en estrella. Los extremos de los devanados se unen a tres anillos rozantes de cobre fijados al eje del rotor y aislados entre si y del núcleo del rotor, estos anillos se encuentran unidos mediante escobillas a un reóstato con el fin de tener la opción de variar la resistencia rotórica y de este modo reducir la corriente de arranque y aumentar el par de arranque. Figura 2.8 Motor de inducción rotor devanado[11]

30 Propiedades de los motores Asíncronos de inducción Ventajas de los motores con rotor de jaula Velocidad aproximadamente constante, para diferentes cargas. Posibilidad de soportar grandes sobrecargas. Sencillez en la construcción Ausencia de contactos móviles Rendimiento mas alto que el motor de rotor bobinado. Desventajas Dificultad para regular la velocidad. Alta corriente de Arranque. Bajo factor de potencia para cargas pequeñas. Sensibilidad a las oscilaciones de la tensión. [11] Ventajas de los motores con rotor Bobinado Gran par de arranque inicial. Posibilidad de grandes sobrecargas. Menor corriente de arranque en comparación con los motores de jaula de ardilla. Posibilidad de usar dispositivos de arranque automáticos. Desventajas Sensibilidad a las oscilaciones de tensión Factor de potencia y rendimiento menor que el motor de rotor de jaula. Necesidad de mantenimiento periódico. [11]

31 Temporizador Un temporizador es un aparato mediante el cual, podemos regular la conexión ó desconexión de un circuito eléctrico, esta conexión o desconexión se realiza pasado un tiempo desde que se da un evento X, el cual representa el evento que tomamos como referencia para realizar luego las demás acciones. Hay gran variedad de temporizadores y se pueden clasificar según su modo de operación, ya sea para conectar o desconectar un circuito o por su forma de operar ya que estos pueden ser térmicos neumáticos o electrónicos Capacitores Los capacitores utilizados en un convertidor de fase son similares a los que se utilizan en un motor monofásico, Generalmente se utilizan capacitores electrolíticos. Para el capacitor de arranque, según diferentes recomendaciones, este debe de tener un valor entre 50 y 100 F por H.P y para los capacitores de trabajo también por recomendaciones se determina deben tener valores entre 12 y 16 F por H.P. Los capacitores electrolíticos se han desarrollado para lograr grandes valores de capacitancia en dimensiones físicas reducidas. De manera simple se puede ilustrar un capacitor como dos placas conductoras que se colocan una frente a la otra, separadas por una mínimas distancia por medio de un material dieléctrico (no conductor) su capacidad es proporcional al área de sus placas e inversamente proporcional a la distancia de separación

32 20 entre estas. Los capacitores electrolíticos son los de mayor capacidad ya que con ellos se tiende a aumentar el área y a disminuir la distancia de separación entre las placas, estos deben su nombre a que el material dieléctrico contiene un asido llamado electrolito. La fabricación de un capacitor electrolítico comienza enrollando dos láminas de aluminio separadas por un papel absorbente humedecido con ácido electrolítico. Luego se hace circular una corriente eléctrica entre las placas para provocar una reacción química que producirá una capa de óxido sobre el aluminio, siendo este óxido de electrolito el verdadero dieléctrico del capacitor. [5] Contactores Un contactor es un dispositivo con capacidad de controlar el paso de la corriente eléctrica que va hacia un receptor o instalación, estos dispositivos ofrecen la posibilidad de ser accionados a distancia, normalmente tienen dos posiciones de funcionamiento, una estable o de reposo, cuando no recibe acción alguna por parte del circuito que lo controla, y otra inestable, cuando así se le indica por el circuito de control. Este tipo de funcionamiento es conocido como de "todo o nada". Los contactores se pueden clasificar según el tipo de accionamiento de la siguiente manera: Contactores electromagnéticos. Su accionamiento se realiza a través de un electroimán. Contactores electromecánicos. Se accionan con ayuda de medios mecánicos. Contactores neumáticos. Se accionan mediante la presión de un gas. Contactores hidráulicos. Se accionan por la presión de un líquido.

33 21 Constitución de un contactor electromagnético. - 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. - 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. - Resorte. Es un muelle encargado de devolver los contactos a su posición de reposo una vez que desaparece la fuerza de atracción.

34 22 2.4Comportamiento del motor de inducción Trifásico Alimentado con energía monofásica Sin Capacitor de arranque Para comprender como se hace funcionar un motor trifásico a partir de energía monofásica es importante mostrar como se comporta el mismo cuando es alimentado con energía monofásica, especialmente como se comporta el campo magnético generado en el interior del motor. El campo magnético generado dentro del motor cuando se conecta a energía monofásica se puede describir mediante las siguientes expresiones. Tenemos que el campo magnético producido por una sola bobina se describe mediante la siguiente ecuación: F( α ) = Fm sen( ωt) ( ) Si se alimenta un motor trifásico con energía monofásica tal y como se muestra en la siguiente figura: Figura 2.9 Esquema de las bobinas del estator del motor trifásico

35 23 Entonces para el campo magnético que se produce en el interior del motor se obtendrá el siguiente resultado: Considerando que las tres bobinas son idénticas y además están desfasadas 120 grados mecánicos entre sí, además de aplicar una simple maya se encuentra puede encontrar que: 1 I 2 = I 3 = I 1 y como el campo magnético producido por una bobina es proporcional a la 2 corriente que circula por esta se puede afirmar que: F = F = m2 m3 1 2 F m1 Las fuerzas magnetomotrices producidas por las bobinas 1,2,3 respectivamente se describen en las siguientes ecuaciones, donde el coseno indica la separación de 120 grados mecánicos que hay entre los devanados del estator: F α) = F sen( ωt)cos( ) ( ) 1( m1 α F α) = Fm sen( ωt)cos( α 120) ( ) 2 ( 2 F α) = Fm sen( ωt)cos( α 240) ( ) 2 ( 3 Como se puede observar en este caso los grados eléctricos son iguales para todos ya que están alimentados con energía monofásica, lo que varía son los grados mecánicos que hay entre los devanados. Además se tiene que el campo total producido dentro del motor es la suma de los campos producidos por las tres bobinas F() total = F 1 ()+ F 2 ()+ F 3 () ( )

36 24 Desarrollo de la expresión : F ( α) = F1 ( α) + F1 ( α) + F1 ( α) F 1 1 ( α) = Fm sen( ωt)cos( α) + Fm sen( ωt)cos( α 120) + Fm sen( ωt)cos( α 240) F ( α) = Fm sen( ωt)[cos( α) + cos( α 120) + cos( α 240)] ( ) 2 2 Utilizando la propiedad : cos( a + b) = cos( a)cos( b) + sen( a) sen( b) ( ) se puede rescribir la ecuación ( ) como: F ( α ) = Fm sen( ωt)[cos( α) + cos( α) cos(120) + sen( α) sen(120) + cos( α) cos(240) + sen( α) sen(240)] F ( α) = Fm sen( ωt)[cos( α) + cos( α) + sen( α) + cos( α) sen( α)] F ( α) = Fm sen( ωt)[cos( α) + cos( α)] 2 F 1 ( α) = Fm sen( ωt)cos( α) ( ) 2 Rescribiendo esta ecuación con ayuda de la propiedad sen( a + b) = sen( a)cos( b) + sen( b)cos( a) ( ) se obtiene : 1 F ( α ) = Fm [ sen( ωt α) + sen( ωt + α) ] ( ) 4

37 25 Se puede observar que esta expresión representa a una fuerza magnetomotriz pulsante, y como es de esperarse con esta Fem es imposible que el motor arranque, (sucede lo mismo que ocurre con el motor monofásico) Con capacitor de arranque Para solucionar el problema anterior y trabajar este motor trifásico con energía monofásica la solución es colocar un capacitor entre los terminales 2 y 3, como se muestra en la figura (2.4.2), con este capacitor se logra un desfase y de este modo se logra que el motor arranque, esto se demostrara a continuación. Figura 2.10 Esquema de las bobinas del estator del motor trifásico Considerando el desfase provocado por este capacitor añadido entre las terminales 2 y 3 se busca de nuevo las ecuaciones para los campos magnéticos producidos por cada bobina y obtiene las siguientes ecuaciones: F α) = F sen( ωt)cos( ) ( ) 1( m1 α

38 26 π F2 ( α) = Fm 2sen( ωt + )cos( α + 120) ( ) 2 F α) = Fm sen( ωt)cos( α 120) ( ) 3( 3 Este desfase de 2 π es producto de la adición del capacitor al circuito, además con ayuda de las propiedades y ( ) y ( ) se puede rescribir las ecuaciones del campo magnético producido por las bobinas de la siguiente manera: F α) = F sen( ωt)cos( ) ( ) 1( m1 α 1 1 F2 ( α) = Fm 2 cos( ωt)[ 3sen( α) cos( α)] 2 2 ( ) 1 1 F3 ( α) = Fm 2sen( ωt)[ 3sen( α) cos( α)] 2 2 ( ) Consideramos de nuevo que: 1 F m2 = Fm3 = Fm 1 2 Luego obtenemos el flujo total utilizando F α) = F ( α) + F ( α) + F ( ) ( α F 1 1 α) = Fm 1sen( ωt)cos( α) + Fm 1 cos( ωt)[ cos( α) 3sen( α)] + Fm sen( ωt)[ cos( α) + 3sen( α)) 4 4 ( F ( α ) = Fm 1sen( ωt) cos( α) Fm 1 cos( ωt) cos( α) Fm 1 cos( ωt) sen( α) Fm 1sen( ωt) cos( α) + Fm 1sen( α) sen( ωt) F 3 α) = F sen( ωt) cos( α) + Fm 1sen( α) sen( ωt) Fm cos( ωt) cos( α) cos( ωt) sen( ωt) ( m 1 La cual puede rescribirse con ayuda de las propiedades ( ) y ( ) como: 1 F ( α) = [3( sen( ωt α) + sen( ωt + α)) + 8 (cos( ωt) + cos( ωt + ( α)) 3(cos( ωt α) cos( ωt + α)) 3( sen( ωt α) + sen( ωt + α))] ( )

39 27 De modo que se obtiene: 1 F( α) = [( ) sen( ωt α) + (3 + 3) sen( ωt + α) + ( 3 1) cos( ωt α) ( 3 + 1) cos( ωt α)] ( ) De aquí se puede observar que esta ecuación corresponde a un campo magnético giratorio, y este describe el campo magnético que se produce en el interior del motor, producto de este campo magnético se da el giro en el rotor Comportamiento del motor trifásico trabajando con solo dos fases. Es posible arrancar un motor trifásico a partir de energía monofásica, utilizando un capacitor de arranque, tal y como se demostró anteriormente, una vez que se tiene el motor girando se puede desconectar el capacitor de arranque y de este modo dejar el motor trabajando con energía monofásica. En esta configuración solo se tiene energía en dos de las tres bobinas del estator de modo que el campo magnético que se que se genera dentro del motor disminuye su magnitud en comparación a cuando se encuentra trabajando con energía trifásica, debido a esta disminución en la magnitud del campo también disminuye la capacidad de entregar potencia del motor ya que pierde el aporte de un arreglo de bobinas, es decir si antes el campo magnético dentro del motor se describía por la ecuación: F α) = F ( α) + F ( α) + F ( ) donde F 1 (), F 2 () y F 3 () representan los aportes de los ( α arreglos de las bobinas, al estar alimentadas solo dos de las tres fases el campo magnético

40 28 dentro del motor se puede describir por en la siguiente expresión, como los bobinados del motor son iguales (carga balanceada) inicialmente cada una aportaría lo mismo al campo giratorio de modo que al perder una fase se pierde una tercera parte del campo giratorio y por ende la potencia que puede entregar el motor disminuye aproximadamente una tercera parte. De aquí el echo que cuando se usa un convertidor estático debe usarse en motores que trabajen alrededor de un 60% de su carga nominal. 2.5Factores que afectan la eficiencia del convertidor rotatorio La eficiencia de un convertidor rotatorio esta vinculada a varios factores, como lo son el factor de potencia de la carga, el nivel de carga, el motor utilizado, estabilidad del sistema de alimentación monofásico. También como se menciona en el articulo Application and performance of rotary phase converters as an alternative to utility supplied three-phase power, el convertidor se comporta de mejor manera cuando este se encuentra trabajando a plena carga. Para entender este tema es importante identificar los puntos donde se dan perdidas. En un convertidor rotatorio de fase la pieza fundamental esta constituida por en motor trifásico de inducción, el motor presenta dos tipos de perdidas las perdidas fijas (No dependen del nivel de carga) y las perdidas variables (Dependen del nivel de carga). Las perdidas fijas se verán reflejadas directamente en la eficiencia del convertidor, estas perdidas fijas son básicamente las perdidas en el núcleo y las perdidas por fricción y

41 29 ventilación, también se debe considerar las perdidas variables aunque el motor que conforma el convertidor rotatorio trabaja sin carga, siempre se van a presentar ya que representan la energía que se necesita para mantener girando el convertidor y para producir el voltaje inducido en la fase manufacturada. Básicamente es en el motor donde se dan las perdidas en el convertidor los otros elementos donde se podría dar perdidas seria en contactores, capacitores y cables utilizados pero con un buen diseño serán mínimas. También es importante el factor de potencia y la eficiencia de la carga, si la carga presenta un bajo factor de potencia esto implica que va consumir gran cantidad de potencia reactiva, esto se vera reflejado en un mayor corriente por las líneas L1 y L2, esto aumenta la potencia de entrada al convertidor, sin embargo la potencia real que se entregada a la carga será mas pequeña respecto a la potencia reactiva, de modo que el la potencia de entrada será mayor y la potencia de salida aumentara muy levemente y esto afecta directamente la eficiencia del sistema convertidor. Algo similar sucede con la variación en la eficiencia de la carga.

42 30 CAPÍTULO 3: Diseño y Recomendaciones para la construcción de convertidores Rotatorios de Fase. 3.1 Consideraciones para el diseño de un convertidor. Cuando se piensa en implementar un convertidor rotatorio de fase hay que tomar en consideración varios factores, él más importantes en conocer la carga que se desea alimentar, o al menos un valor aproximado a la potencia que este debe de suplir. La potencia del convertidor el parámetro más importante ya que en base a esta es que se dimensionan los componentes del convertidor Recomendaciones de diseño: Motor a utilizar: Como se menciono en el capitulo 2 un convertidor rotatorio de fase puede entregar una potencia alrededor de 3 veces la potencia nominal del motor que lo conforma, (se habla de esto para convertidores de fase construidos en fabricas dedicadas a esta tarea, por lo que se recomienda no diseñar de una forma muy ajustada) de modo que conociendo la carga o el valor de potencia que debe suplir el convertidor, idealmente se podría escoger un motor con una potencia nominal de alrededor de 1/3 de la potencia de la carga que se desea alimentar, se recomienda que la potencia del motor sea un poco mayor.

43 Capacitores: Con las recomendaciones obtenidas en diferentes artículos, se toma en cuenta la consideración de utilizar valores de capacitancia de entre, 50 y 100 F por H.P del motor, para la capacitancia de arranque y para las capacitancias de trabajo también por recomendaciones se determina valores de entre 12 y 16 F por H.P del convertidor. [10] El valor final de la capacitancia de arranque se obtendrá a partir del método de prueba y error ya que no se cuenta con un modelo matemático para calcular el valor de esta capacitancia, solo se tiene la recomendación ya mencionada, por lo tanto el valor definitivo no se conoce. Para las capacitancias de trabajo se tiene que estas deben tener un valor de entre 12 y 16 F por Hp pero al igual que en el caso de la capacitancia de arranque no se cuenta con un método matemático donde se obtenga el valor exacto que debe colocarse, además el convertidor no se comporta de la misma manera entre la línea L1 y T3 que como se comporta entre la línea L2 y T3 por lo que el valor de la capacitancia C.T 1 de la figura #1 puede ser diferente al valor de la capacitancia C.T 2 colocada entre las líneas L2 y T3, esto por que internamente el convertidor se comporta de manera asimétrica. La forma de obtener los valores finales de estas capacitancias es también a prueba y error.

44 Valores de capacitancias requeridos: Para la capacitancia de arranque se debe comenzar probando con valores pequeños (dentro del rango uF por Hp) e ir aumentando la capacitancia hasta encontrar un valor para el cual el motor logra arrancar rápidamente y sin ningún problema. Capacitancias de trabajo: Para obtener los valores de las capacitancias de trabajo (C.T 1 y C.T 2) el método a seguir es el siguiente: Se arranca el motor trifásico por medio del capacitor de arranque. Se verifica que haya voltaje en la línea T3, este corresponderá al voltaje generado dentro del convertidor. Con los instrumentos adecuados se miden los valores de tensión entre las terminales con el fin de ver si se encuentran cercanos entre sí. Inicialmente se colocan valores de capacitancia a C.T1 y C.T2 (dentro del rango 12-16uF por Hp) y se observa si esto mejoro el balance en las tensiones a la salida del convertidor. Luego de tener algún valor de capacitancia se procede a colocar carga al convertidor, se trata de cargar desde cero y hasta un valor del 100% de la carga nominal del convertidor, mientras se coloca carga debe observarse el comportamiento de las tensiones de salida, si se da el caso que algún voltaje empieza a caer rápidamente esto en indicio de que necesita un mayor valor de capacitancia.

45 33 Debe repetirse el paso anterior hasta lograr el mejor balance de tensión posible. Como el método para encontrar el valor definitivo de estas capacitancias es por prueba y error es posible que el paso anterior deba de repetirse varias veces hasta encontrar los valores de capacitancia que dan el mejor balance de tensión. Es importante mencionar que no se cuenta con un modelo matemático exacto para obtener los valores de capacitancia esto por que no todos los motores y no todas las cargas son iguales de modo que el comportamiento varía para cada carga y es imposible prever todos los compartimientos en una sola ecuación o fórmula. Al final de este procedimiento para encontrar el valor de los capacitores de trabajo se espera obtener un comportamiento similar al mostrado en la siguiente figura: Figura 3.1 Característica de salida de un Convertidor rotatorio Tensión de línea Vs Carga [2].

46 34 Para realizar los ajustes en los valores de las capacitancias de trabajo C.T 1 y C.T 2 y de la capacitancia de arranque, se recomienda trabajar con capacitores de valores pequeños de modo que se pueda ir aumentando suavemente el valor de capacitancia. Los capacitores a utilizar pueden ser electrolíticos similares a los que utilizan los motores monofásicos y deben utilizarse capacitores que soporten un voltaje mayor al voltaje de operación, por ejemplo si fuera un convertidor a 220V los capacitores pueden ser de 330 V o 370 Vac. Para los capacitores de trabajo también se pueden utilizar capacitores de aceite ya que estos mantienen el valor de capacitancia a lo largo del tiempo a diferencia de los electrolíticos que pierden un poco de su capacidad. Temporización del capacitor de arranque A la hora de arrancar el motor mediante un capacitor de arranque, es necesario establecer un tiempo prudencial antes de desconectar este capacitor, este tiempo de desconexión o tiempo de retardo debe ser tal que se le permita al motor arrancar de manera correcta esta desconexión del capacitor de arranque se puede realizar mediante un temporizador o relé de retardo. Un relé de retardo es un relé cuyo contacto de salida se conecta instantáneamente al aplicar la tensión de alimentación en los bornes A1 y A2 de la bobina. Al quedar sin alimentación, el relé permanece conectado durante el tiempo ajustado o tiempo de retardo en este caso, este tiempo se regula mediante el potenciómetro frontal que tiene el relé, como es de esperar los contactos se desconectan pasado este tiempo de retardo.

47 35 Un método alternativo para desconectar la capacitancia de arranque en utilizar un conjunto platino centrífugo, escogido de manera apropiada para la velocidad nominal del motor, este conjunto platino centrífugo desconectaría la capacitancia de arranque en el momento que el motor alcance aproximadamente el 80% de su velocidad nominal, en ese momento se puede decir que el motor esta prácticamente arrancado, esto seria un proceso similar al que se da en los motores monofásicos cuando se desconecta el bobinado auxiliar. La opción de sustituir el temporizador por un conjunto platino centrífugo presenta la ventaja de que la capacitancia de arranque se desconecta una vez que el motor alcanza alrededor del 80% de su velocidad nominal (se puede decir que el motor esta arrancado) mientras que el sistema de temporizador desconecta la capacitancia de arranque luego de un tiempo t definido por un operador, sin saber a ciencia cierta, si el motor ya esta arrancado o si por el contrario el tiempo fue mas del necesario. Calibre de los cables: Luego de verificar la capacidad del convertidor para la aplicación que se requiera, se puede hacer referencia a la tabla# 1 para determinar el calibre de los cables y la capacidad de los fusibles que se deben utilizar, tanto para la entrada monofásica del convertidor como para la carga. Idealmente la carga debe estar equipada con su propia protección contra sobrecargas y cortocircuitos así como protecciones para prevenir el funcionamiento con una sola fase o algún otro tipo de falla [1 ].

48 36 La siguiente tabla se tomo de un manual de Kay Industries y como se puede observar esta echa para convertidores que trabajan a 230 y 460 Vac, el objetivo de incorporar esta tabla es el de brindar una ayuda, así como facilitar el proceso de dimensionar los cables y fusibles a utilizar para convertidores de diferentes potencias. Es decisión del diseñador tomar estos valores y analizar la veracidad y funcionalidad de los datos descritos o si mas bien prefiere realizar sus cálculos y dimensionar los componentes por si mismo. Tabla 3.1 Tamaños recomendados para cables y fusibles [1]. Capacidad Hp Fusible del convertidor Tamaño del cable monofásico(awg) Tamaño del cable trifásico(awg) 230V 460V 230V 460V 230V 460V / / /0 2 1/ /0 1/0 2/ /0 2/0 2/0 4