UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA PROPUESTA DE MATERIAL DIDÁCTICO PARA LA EXPERIENCIA EDUCATIVA DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE CORRIENTE DIRECTA TRABAJO PRACTICO TÉCNICO Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA PRESENTA: FERNANDO RICARDEZ GALVÁN DIRECTOR: ING. JESÚS ANTONIO CAMARILLO MONTERO XALAPA, VER. JUNIO 2014

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3 DEDICATORIAS El presente trabajo así como todo el esfuerzo y labor hecho a lo largo de mi carrera se lo agradezco y dedico a: A mi abuelita, Elvia Gutiérrez Chimal, que gracias a ella salí adelante como persona, y me ha guiado durante toda mi vida, así como apoyado en mis días buenos y sobre todo en los malos. A mi padre, Fernando Ricardez Mendoza, y a mi madre, Rosa Aurora Galván Gutiérrez, que gracias a su apoyo y sacrificio pude seguir adelante en mis estudios y mi vida, al igual que me dieron las bases para ser una persona triunfadora en la vida así como la mentalidad para siempre seguir adelante y nunca darme por vencido. A mis tíos que me han visto como un hijo y ayudado para nunca caer, así como por sus consejos sobre la vida. A mis maestros, que a lo largo de toda la carrera me enseñaron, apoyaron y ayudaron para entender a sus asignaturas, al igual que por sus consejos para ser un mejor estudiante, persona e ingeniero, en especial, a mi asesor y director de este trabajo, el ingeniero, Jesús Camarillo Montero, el cual me asistió siempre que lo requería y brindo ayuda en temas que desconocía. A mis amigos y amigas, que durante la carrera me motivaron a seguir adelante y a no darme por vencido en los momentos de frustración o en aquellos temas que no entendía y me explicaban y brindaban su ayuda, en especial a mi amiga, Melissa Vásquez Cruz, que durante toda la carrera me brindó su apoyo y ayuda incondicional en aquellos pasajes de mi vida en los cuales me encontraba con problemas y no sabía o entendía cómo resolverlos. 3

4 Índice ÍNDICE 1. LA MÁQUINA DE CORRIENTE DIRECTA Teoría y funcionamiento de la máquina de corriente directa Componentes principales de las máquinas de corriente directa Inducción electromagnética Inducción electromagnética en una máquina CD Circuito magnético Circuito magnético de una máquina CD Pérdidas Pérdidas rotacionales Pérdidas variables Pérdidas diversas o varias Problemas de conmutación Solución de los problemas en la conmutación Obtención de la curva de saturación Construcción de las máquinas CD Construcción de los polos y la estructura Construcción del rotor o armadura Colector y escobillas Aislamiento de los devanados FUENTES DE CORRIENTE DIRECTA Generadores de corriente directa

5 Índice Generador de excitación separada Generador CD en derivación Generador CD serie Generador CD compuesto acumulativo Generador CD compuesto diferencial Rectificadores polifásicos de potencia Rectificadores polifásicos MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA Introducción a los motores CD Circuito equivalente del motor CD Curvas de magnetización de una máquina CD Tipos de motores CD Motores CD con excitación separada y motores CD en derivación Motor CD de imán permanente Motor CD serie Motor CD compuesto Determinación de la eficiencia NORMATIVIDAD Y PRUEBAS PARA MÁQUINAS DE CD Resistencia de aislamiento Pruebas de resistencia de aislamiento Índice de polarización Efectos de la temperatura en las medidas de resistencia

6 Índice 4.2 Método del puente de Wheatstone para medir la resistencia de los bobinados Resistencia del circuito de armadura Resistencia de los campos Longitud del entrehierro Vibración Normas para fabricación y operación NEMA (National Electrical Manufacturers Association) IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) SISTEMAS DE ALTO VOLTAJE EN CORRIENTE DIRECTA Tecnología de alta tensión en corriente directa (HVDC) Componentes de una línea de transmisión de CD Inductores y filtros de armónicos del lado de CD (convertidor de 6 pulsos) Transformadores convertidores Fuente de potencia reactiva Filtros de armónicos en el lado de CA Enlace de comunicaciones Electrodo de tierra Estación de convertidor tiristor Reactancia de suavizado Interruptores Tipos de sistemas y configuraciones

7 Índice Tipos de conexiones en HVDC Configuraciones del sistema HVDC Sistemas de transmisión de alta tensión en corriente directa (HVDC) Sistemas convertidores de fuentes (VSC) y conversión de líneas de CA en CD Tecnología VSC (Voltage Source Converter) Tecnología LCD (Line Commutated Converter) Cables para transmisión Líneas aéreas Líneas subterráneas y submarinas Ventajas y desventajas con respecto a la transmisión en CA Avances y tendencias en el uso de sistemas HVDC Interconexión de Egipto-Arabia Saudita Interconexión GCD HVDC SISTEMAS DE CD EN VEHÍCULOS ELÉCTRICOS Tipos vehículos eléctricos Híbridos Eléctricos Componentes Componentes principales Sistema eléctrico del vehículo

8 Índice Cadena de tracción en las que se utiliza un solo motor Cadenas de tracción en las que se utilizan dos motores Cadenas de tracción en las que se utilizan cuatro motores Motores Motores CD Motores síncronos Motores de reluctancia conmutada Necesidades de desarrollo en todos los tipos de motores BATERÍAS Fundamentos Tipos de baterías Tipos de baterías más comunes Aplicaciones convencionales Baterías para automóviles eléctricos Recarga Duración Otras baterías Mantenimiento de las baterías Definiciones y acronismos Instrucciones APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE CD Aplicaciones de motores de corriente directa

9 Índice Aplicaciones domésticas Aplicaciones en transporte Aplicaciones industriales Aplicaciones de generadores de corriente directa Procesos electroquímicos Términos de electroquímica Celda electroquímica Corrosión electroquímica Aplicaciones de procesos electroquímicos Procesos electrolíticos Significado del número de Avogadro en la electrólisis Aplicaciones de la electrólisis CONCLUSIONES ANEXOS REFERENCIAS

10 1. La máquina de corriente directa 1. LA MÁQUINA DE CORRIENTE DIRECTA. Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en energía eléctrica o energía eléctrica en energía mecánica. Cuando la máquina es utilizada para convertir energía mecánica en energía eléctrica, se denomina generador; cuando convierte energía eléctrica en energía mecánica, se llama motor. Casi todos los motores y generadores, convierten la energía de una a otra forma a través de la acción de campos magnéticos. Existen cuatro principios básicos que describen como se utilizan los campos magnéticos en estos dispositivos: Un conductor que porta corriente produce un campo magnético a su alrededor. Un campo magnético variable con el tiempo induce un voltaje en una bobina de alambre si pasa a través de esta (base del funcionamiento del transformador). Un conductor que porta corriente en presencia de un campo magnético experimenta una fuerza inducida sobre él (base de funcionamiento del motor). Un conductor eléctrico que se mueva en presencia de un campo magnético tendrá un voltaje inducido sobre él (base de funcionamiento del generador). Una máquina eléctrica puede ser una máquina de rotación, en la que los voltajes se generan en los devanados, al girar estos devanados de forma mecánica a través de un campo magnético o al girar mecánicamente un campo magnético por el devanado. Al conjunto de dichos devanados conectados entre sí, comúnmente se le denomina devanado de armadura o inducido. Dentro de una máquina rotativa también existe un devanado de excitación el cual consiste en un devanado secundario que lleva corriente directa y se utiliza para producir el flujo principal de operación en la máquina. Las leyes o principios bajo los que funciona una máquina eléctrica son los 1

11 1. La máquina de corriente directa siguientes: Fuerza de Lorentz: cuando un conductor que transporta corriente se coloca en un campo magnético, se somete a una fuerza llamada fuerza electromagnética. Ley de Ampere: establece que la circulación de la intensidad del campo magnético en un contorno cerrado es igual a la corriente que lo recorre en ese contorno. Figura 1.1 Una corriente eléctrica produce un campo magnético, siguiendo la Ley de Ampere. Ley de Inducción Faraday: se define como la fuerza electromotriz inducida en un circuito conductor cerrado, debido al flujo producido por un imán, es decir, si el flujo magnético unido con un circuito conductor cerrado varia, se induce una fuerza electromotriz en el circuito. Figura 1.2 Representación de la ley de inducción Faraday. Ley de Lenz: menciona que el sentido de la corriente inducida seria tal que su 2

12 1. La máquina de corriente directa flujo se opone a la causa que la produce. 1.1 Teoría y funcionamiento de la máquina de corriente directa. Las máquinas de corriente directa se caracterizan por su versatilidad. Por medio de varias combinaciones de devanados de campos excitados en derivación o paralelo, en serie y de excitación separada, son diseñadas para mostrar una amplia variedad de características volt-ampere o velocidad-par, tanto para funcionamiento dinámico como para funcionamiento de régimen permanente. Por la facilidad con que son controlados, los sistemas de corriente directa se utilizan con frecuencia en aplicaciones que requieren una gran gama de velocidades de motor o el control preciso del rendimiento del motor. La mayoría de las máquinas CD son semejantes a las máquinas de corriente alterna (CA) pues tienen voltajes y corrientes CA dentro de ellas; las máquinas CD tienen una salida CD solo porque existe un mecanismo que convierte los voltajes CA internos en voltajes CD en sus terminales. Este mecanismo se le denomina conmutador, y debido a esto a la máquina CD se le conoce también como maquinaria de colector o conmutada. Figura 1.3 Funcionamiento de un conmutador. El devanado de armadura o inducido de un generador de corriente directa se encuentra en el rotor con corriente que se conduce mediante escobillas de carbón. El devanado de excitación se localiza en el estator y se excita por medio de corriente directa. En la figura 1.4 se presenta el esquema de un generador muy elemental de corriente directa bipolar. El devanado de armadura o inducido, que consiste en una bobina única con N número de vueltas, se indica por medio de los dos 3

13 1. La máquina de corriente directa costados de la bobina a y a colocados en puntos diametralmente opuestos en el rotor con los conductores paralelos a la flecha. Figura 1.4 Máquina elemental de corriente directa con conmutador. El rotor normalmente gira a velocidad constante por medio de una fuente mecánica de potencia que se conecta a la flecha, llamada primomotor. En general, la distribución de flujo del entrehierro se aproxima a una onda rectangular, debido al chaflán que se les hace a los polos, en vez de la onda sinusoidal que se presenta en las máquinas de corriente alterna, pues cuenta con polos lisos, como la de la figura 1.5. La rotación en la bobina genera un voltaje de bobina que es una función del tiempo. Figura 1.5 a) Ditribucion espacial de la densidad del flujo del entrehierro en una máquina elemental de corriente directa; b) forma de onda del voltaje entre escobillas. 4

14 1. La máquina de corriente directa Aunque el objetivo final es la generación de un voltaje directo, el voltaje inducido en una bobina de inducido individual deberá rectificarse. En la máquina de corriente directa convencional, la rectificación se produce de forma mecánica por medio de un conmutador, que es un cilindro de material aislado en el que se monta, también de manera aislada, la flecha del rotor. Las escobillas de carbón estacionario se sostienen en contra de la superficie del conmutador que conecta al devanado con las terminales externas del armazón. Para el generador elemental de corriente directa, el conmutador adopta la forma que se muestra en la figura 1.5. Para el caso de la dirección de rotación, que se esquematiza, el conmutador, en la totalidad del tiempo, conecta el costado de la bobina que se ubica debajo del polo sur con la escobilla positiva y el costado de la bobina que se localiza debajo del polo norte con la escobilla negativa. El conmutador suministra una rectificación total de onda, al transformar la forma de onda del voltaje entre escobillas a una longitud de onda, como la que se observa en la figura 1.5b y dispone un voltaje unidireccional al circuito externo. El efecto de la corriente directa en el devanado de excitación de una máquina de CD es crear una distribución de flujo magnético que sea estacionario con respecto al estator. El efector del conmutador funciona de tal modo que cuando la corriente directa fluye a través de las escobillas, el inducido crea una distribución de flujo magnético que también se fija en el espacio y cuyo eje, determinado por el diseño de la máquina, y la posición de las escobillas, generalmente es perpendicular al eje del flujo de excitación Componentes principales de las máquinas de corriente directa. Cuando se habla del funcionamiento y teoría de una máquina y en especial un 5

15 1. La máquina de corriente directa dispositivo eléctrico, hablamos de que componentes son los que hacen funcionar a una máquina, pero la mayoría de estos, no son conocidos en la realidad o en imagen por el que lo estudia por primera vez, por lo tanto, a continuación se hará una breve descripción de los componentes de una máquina de corriente directa. Las partes principales que forman una máquina (generador o motor) de corriente directa son el estator y rotor o armadura. Figura 1.6 Componentes de una máquina de corriente directa. Estator: está constituido por una corona de material ferromagnético denominada culata, en cuyo interior van dispuestos unos salientes radiales con una expansión en su extremo, denominados polos, los cuales se encuentran distribuidos y en números par, y están sujetados por tornillos a la culata. Rodeando los polos, se halla una bobina de hilo, o pletina de cobre aislado, que al ser alimentadas por CD, crean el campo magnético inductor de la máquina, el cual presentara alternativamente polos norte y sur. 6

16 1. La máquina de corriente directa Figura 1.7 Estator de una máquina CD Yugo o carcasa: es el envolvente que sirve para proteger a la máquina y sostener las partes fijas que consta el circuito magnético formado por partes del mismo. Para máquinas de baja y media potencia, se fabrica de láminas de acero rolado y para máquinas de mayor potencia se fabrican con laminación de material magnético de buena calidad con el objetivo de reducir al mínimo las perdidas magnéticas debidas a la histéresis y corrientes pulsantes. Figura 1.8 Inductor de una máquina CD. Piezas polares o polos: es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar. Se fabrican de un material magnético laminado utilizando en algunos casos laminación en forma especial para obtener en el extremo de los polos un entrehierro o espacio de aire que represente una reluctancia elevada para impedir la distorsión y la desaparición de las líneas de fuerza del campo magnético cuando se presenta en la máquina el remanente de la sección de armadura. En la parte inferior del polo, que es de la forma apropiada y con una curvatura muy 7

17 1. La máquina de corriente directa aproximada, a la que tiene la armadura, se llama zapata polar. Figura 1.9 Componentes constitutivos de una máquina de corriente directa. Núcleo: parte del circuito magnético, rodeado por el devanado inductor. Devanado inductor: conjunto de espiras, destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica. Expansión polar: es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro. Polo auxiliar o de conmutación: en polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Campo de excitación: está formado por todas las bobinas que van colocadas alrededor de cada polo y conectados todos en serie y a la vez en paralelo con la armadura. El campo de excitación en un generador CD está conectado en serie con una resistencia variable que se conoce con el nombre de reóstato de excitación y sirve para inducir un campo magnético que reforzara y multiplicara muchas veces el valor del magnetismo remanente de la máquina para que al tener este mayor flujo magnético pueda inducir una fuerza electromotriz mayor. Culata: es una pieza de material ferromagnético, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina. Base: la base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación de la máquina, puede ser frontal o lateral. 8

18 1. La máquina de corriente directa Figura 1.10 Vista del polo de conmutacion. Tapas: las tapas del generador son colocadas y aseguradas al estator por medio de pernos y colocados a ambos extremos del mismo y contienen el alojamiento para los cojinetes del eje al rotor o armadura. Rotor o armadura: el rotor se construye con chapas finas de 0.3 a 0.5 mm de espesor, aisladas unas de otras por una capa de barniz o de óxido. Con ranuras en las que se introduce el devanado inducido de la máquina. Este devanado está constituido por bobinas de hilo o de pletina de cobre convenientemente aislados, cerrado sobre sí mismo al conectar el final de la última bobina con el principio de la primera. Si se tratara de un rotor macizo, debido a la rotación y provocados por el campo magnético, aparecieran intensas corrientes de Foucault en el hierro del rotor y esto le provocaría un aumento crucial en la temperatura; con lo cual se pondría en peligro al devanado. Para mejorar el enfriamiento del rotor, en el cuerpo del mismo se le practican hendiduras para una adecuada ventilación y en el lado anterior se pueden sujetar aspas para ventilarlo. Figura 1.11 Rotor tipico de una máquina CD 9

19 1. La máquina de corriente directa Eje del rotor: se fabrica de acero debidamente maquinado y construido a tratamiento térmico cuando se necesita ensamblar con el núcleo magnético de la armadura. Armadura: formada por un núcleo magnético de laminación de acero al silicio, de buena calidad magnética y la laminación tiene un espesor que puede variar de las 15 milésimas hasta las 30 milésimas de pulgada. En las ranuras de la armadura se colocan debidamente aisladas las bobinas que conectaran el embobinado de la máquina y las terminales de estas bobinas van conectadas de acuerdo con el polo del embobinado y del paso del conmutador a las delgas correspondientes del mismo. Figura 1.12 Detalle de un inducido. Devanado inducido: es el devanado conectado al circuito exterior de la máquina y en el que se tiene lugar la conversión principal de la energía. Un lazo conductor cerrado, que comienza y termina en la parte de la máquina llamada conmutador y recibe el nombre de bobina. Bobinas del rotor: en las máquinas de corriente directa, existen varias maneras en las que se puede conectar las espiras del rotor (conocido como inducido o armadura) a sus segmentos del conmutador. Estos diferentes tipos de conexiones afectan el número de caminos de corrientes paralelas que existen en el rotor, el voltaje de salida del rotor y el número y posición de las escobillas montadas sobre los segmentos del conmutador. 10

20 1. La máquina de corriente directa La mayoría de los devanados del rotor están constituidos por bobinas preformadas en forma de diamantes, insertadas en las ranuras del rotor como una sola unidad. Cada bobina está hecha con un número de vueltas (espiras) de alambre y cada una está envuelta con cinta y se encuentra aislada de las otras y la ranura del rotor. A cada lado de una vuelta se la llama conductor. Normalmente una bobina abarca 180º eléctricos, por esto, si una bobina abarca los 180º eléctricos los voltajes en los conductores en cualquier lado de la bobina serán exactamente iguales en magnitud y opuestos en dirección en todo momento, a este tipo de bobina se le llama bobina de paso diametral. A las bobinas que abarcan menos de 180º eléctricos se les conoce como bobinas de paso fraccionario y a su devanado se le llama devanado de cuerdas. Una vez que se han instalado los devanados en las ranuras del rotor, se deben conectar los segmentos del conmutador. Existen dos secuencias básicas de conexiones de devanados del inducido: devanados imbricados y devanados ondulados. Un tercer tipo recibe el nombre de devanado de pata de rana, el cual combina el devanado imbricado y ondulado en un solo rotor. Devanado imbricado: es el tipo de devanado más sencillo que se utiliza en las máquinas de corriente directa modernas. Consta de bobinas que contienen una o más vueltas de alambre y los dos extremos de cada bobina salen de segmentos del conmutador adyacentes; si el final de la bobina está conectado al segmento siguiente a aquel al que está conectado su comienzo el devanado es imbricado progresivo; si el final de la bobina está conectado al segmento anterior a aquel al que comienza el devanado es imbricado regresivo. Devanado ondulado: también llamado en serie, es otra forma de conectar las bobinas del rotor a los segmentos del conmutador. En un devanado ondulado siempre hay, solo dos caminos de corriente. Las escobillas en este tipo de máquina estarán separadas unas de otras por un paso polar completo. 11

21 1. La máquina de corriente directa También se puede encontrar en progresivo y regresivo. Figura 1.13 Devanado imbricado. Si la segunda bobina se conecta al segmento siguiente a la primera bobina, el devanado es progresivo; si se conecta al segmento anterior a la primera bobina, el devanado es regresivo. Figura 1.14 Devanado ondulado Devanado de pata de rana: combina un devanado imbricado con un devanado ondulado, de tal manera que los devanados ondulados pueden funcionar como compensadores para el devanado imbricado. Núcleo del inducido: formado por un cilindro de chapas magnéticas que están construidas de acero laminado con silicio para mejorar las pérdidas en el circuito magnético. Este cilindro se fija al eje de la máquina, el cual descansa sobre unos cojinetes de apoyo. Las chapas que forman el inducido o rotor de la máquina disponen de ranuras en las cuales se alojan los hilos de cobre del devanado inducido. 12

22 1. La máquina de corriente directa Conmutador: es el conjunto de láminas conductoras construidas de segmentos de cobre electrolítico que reciben el nombre de delgas, aisladas al eje y unas de otras, pero conectadas a las secciones de corriente directa del devanado y sobre las cuales frotan las escobillas. El conmutador va colocado a una determinada distancia del núcleo magnético de la armadura y el extremo de la delga que queda del lado del núcleo lleva una ranura en la cual se alojan las terminales de las bobinas y se fijan con soldadura. Figura 1.15 Conmutador de una máquina CD en un esmeril. Escobillas: su función es conducir las corrientes desde el conmutador hacia el circuito externo, generalmente se fabrican de carbono y para generadores de alto voltaje, de cobre. Las escobillas van colocadas en unos alojamientos metálicos que van fijos al brazo porta escobillas y al anillo que lo sostiene. Figura 1.16 Escobillas utilizadas en máquinas CD Entrehierro: es el espacio comprendido entre las expansiones polares y el inducido, suelen ser normalmente de 1 a 3 mm, lo imprescindible para evitar el 13

23 1. La máquina de corriente directa rozamiento entre la parte fija y móvil. Cojinetes: también conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias de la máquina. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes pueden ser de dos clases, de rodamiento y deslizamiento. Los cojinetes de deslizamiento operan en base al principio de la película de aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra del eje y la superficie de apoyo. Los cojinetes de rodamiento se utilizan para tener un menor coeficiente de fricción en el arranque, son compactos en su diseño y cuentan con alta precisión de operación. Figura 1.17 Tipos de cojinetes usados en máquinas eléctricas. Caja de conexiones: es un elemento que protege a los conductores que alimentan al motor o que salen del generador, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier elemento que pueda dañarlos. Figura 1.18 Caja de conexiones de una máquina CD. 14

24 1. La máquina de corriente directa Carcasa: es la parte que protege y cubre al estator y rotor, el material empleado para su fabricación depende del tipo de máquina, de su diseño y su aplicación. Puede ser cerrada, abierta, a prueba de goteo, a prueba de explosiones o sumergible. Placa de características: va alojada de tal modo que sus datos puedan leerse incluso cuando se encuentre en servicio. Los datos importantes son: nombre del fabricante, tipo, número y potencia de la máquina. Figura 1.19 Placa de datos de una máquina CD. 1.2 Inducción electromagnética. En su definición más simple, la inducción electromagnética, consiste en obtener energía eléctrica a partir de variaciones de flujo magnético. Cuando circula una corriente eléctrica por un conductor se crea un campo magnético. Michael Faraday pensó que se podría producir el proceso inverso, es decir, que un campo magnético produzca una corriente eléctrica y por la tanto una diferencial de potencial. En 1831, descubre y publica la ley de inducción electromagnética que puede resumir en que, a partir de campos magnéticos variables respecto al tiempo, se pueden generar campos eléctricos y en consecuencia corrientes eléctricos. A continuación se ejemplifica un experimento que produce corriente inducida: 15

25 1. La máquina de corriente directa Figura 1.20 Inducción electromagnetica. Se tiene un imán de barra en una posición fija, al acercar una espira circular con una cierta velocidad, las líneas de campo magnético que cruzan el área de la espira aumentan, es decir, el flujo por unidad de tiempo cambia, modificando la posición de la aguja en el amperímetro al que se encuentra conectado la espira circular. Al acercar el imán crece la corriente inducida y por lo tanto, la fuerza electromotriz (fem) inducida también crece. De acuerdo con la ley de Ohm, si existe una corriente, existirá una diferencia de potencial o voltaje y de manera más general una fem que recibe el nombre de fuerza electromotriz inducida. También se obtiene una fuerza electromotriz si el imán se sustituye por un solenoide o bobina, y se modifica la posición relativa entre los elementos o si a uno de los solenoides se le aplica una señal variable con el tiempo, es decir, un voltaje alterno o voltaje de continua, que se interrumpe momentáneamente por medio de un switch, como se ejemplifica en las siguientes figuras: Figura 1.21 Inducción debido al movimiento. Figura 1.22 Induccion debido al movimiento de un solenoide con corriente. 16

26 1. La máquina de corriente directa En el año de 1834, el físico alemán Lenz, realiza los mismos experimentos de Faraday y explica el sentido de la fem y en consecuencia el de la corriente inducida en un circuito sujeto a un flujo magnético variable en el tiempo. El sentido de la corriente inducida se puede determinar aplicando la regla enunciada por Lenz, el sentido de una corriente inducida debe ser tal, que se oponga a la causa que lo produce. Para entender este principio, analicemos lo que sucede al acercar el extremo norte de un imán de barra a una espira, como se muestra en la figura Se tomara la convención de que si la corriente entra al instrumento por la terminal positiva (rojo) la aguja se desviara a la derecha y si la corriente entra por la terminal negativa (negro) la aguja se desviara a la izquierda en el instrumento. Al acercar el imán de barra, el flujo magnético aumenta, la corriente inducida entonces debe generar un campo magnético que se oponga al original. Figura 1.23 Ley de Lenz Inducción electromagnética en una máquina CD. Una máquina de corriente directa, funciona en base a las dos leyes enunciadas anteriormente, la de Faraday y la de Lenz, es decir, a través de inducción electromagnética. Una máquina CD es más compleja, es decir, tiene más espiras, más bobinas, más imanes, y dispositivos que se encargan de almacenar y transformar la corriente y flujo magnético (fem) producido por la acción de la inducción electromagnética, pero no por esto, deja de tener como base de funcionamiento lo enunciado en las leyes anteriores. 17

27 1. La máquina de corriente directa La onda de la fem del inducido de una máquina CD se aproxima a una forma de onda dentada, de manera más cercana que la onda senoidal, que presentan las máquinas de CA. La figura 1.24 muestra, en forma de diagrama de corte transversal, el inducido o la armadura de una máquina CD bipolar. Las direcciones de la corriente, se muestran mediante puntos y cruces. Las conexiones de la bobina del devanado de armadura o inducido, se disponen de manera que el devanado de armadura o inducido, produzca un campo magnético cuyo eje sea vertical, y por lo tanto, perpendicular al eje del devanado de excitación. Mientras que el inducido gira, las conexiones de la bobina que van al circuito externo cambian, gracias al conmutador, de manera que el campo magnético inducido permanezca vertical. Figura 1.24 Sección cruzada de una máquina de corriente directa bipolar. Así, el flujo del inducido siempre será perpendicular al campo que produce el devanado de excitación y este hecho da como resultado un par unidireccional. La figura 1.25a muestra la naturaleza plana de este devanado. La onda de la fem se ilustra en la figura 1.25b. Al suponer que las ranuras son estrechas, esta forma de onda consiste en una serie de escalones. La altura de cada uno de estos, es igual al número de amperes vuelta, 2N c i c en una ranura, donde N c representa el número de vueltas de cada bobina e i c 18

28 1. La máquina de corriente directa representa la corriente de la bobina al suponer un devanado de dos capas y bobinas de paso completo. El valor pico de la onda fem se ubica a lo largo del eje magnético inducido, a mitad de la distancia de los polos de excitación. Este devanado es equivalente a una bobina de 12N c i c amperes vuelta distribuidas alrededor del inducido. Al asumir la simetría de cada polo, el valor pico de la onda fem de cada polo de inducido es de 6 N c i c amperes vueltas. De manera aproximada, esta onda fem se representa mediante la onda dentada que se trazó en la figura 1.25b y 1.25c. Figura 1.25 a) Esquema desarrollado de la máquina de corriente directa que se muestra en la figura 1.24; b) onda de la fem; c) onda dentada equivalente a la fem, asi como su componente fundamental y la intercalacion equivalente rectangular de la corriente. 19

29 1. La máquina de corriente directa La distribución de la fem del entrehierro depende únicamente de la disposición del devanado y de la simetría de la estructura magnética de cada polo. Sin embargo, la densidad de flujo del entrehierro depende no solo de la fem, sino también, de las condiciones de los límites magnéticos, en especial de la longitud del entrehierro, del efecto de las aberturas para las ranuras y de la forma de la cara del polo. 1.3 Circuito magnético. Las máquinas eléctricas necesitan de un campo magnético para funcionar. Igual que la corriente eléctrica necesita un circuito de material conductor (cobre o aluminio) por donde circular, el campo magnético también necesita un circuito de material ferromagnético por donde circular. Para saber cuántas espiras debe tener la bobina que induce el campo magnético, o que sección debe tener el circuito magnético etc. se hace necesario estudiar los circuitos magnéticos. Se denomina circuito magnético a un dispositivo en el cual las líneas de fuerza del campo magnético se hallan canalizadas, trazando un camino cerrado. Para su fabricación, se utilizan materiales ferromagnéticos, pues estos tienen permeabilidad magnética mucho más alta que el aire o espacio vacío y por tanto el campo magnético tiende a confinarse dentro del material (núcleo). Existen de dos tipos: Homogéneo, es aquel que en todo su recorrido es de la misma sustancia o material y tiene idéntica sección y longitud. Heterogéneo, es aquel circuito que no está compuesto por la misma sustancia, o puede tener longitud o sección diferente. En estos habrá que distinguir varias inducciones, debido a que hay varias secciones; también aparecen varias reluctancias porque existen varias longitudes, secciones y permeabilidades. 20

30 1. La máquina de corriente directa Figura 1.26 Circuito magnético en serie Circuito magnético de una máquina CD. El flujo neto por polo es el que resulta de las fuerzas electromotrices combinadas de los devanados de campo y armadura. Aunque en una máquina de CD, de excitación separada o en derivación idealizada, la fem del inducido produce flujo magnético solo a lo largo del eje de cuadratura, en un dispositivo practico la corriente del inducido produce flujo a lo largo del eje directo, o de manera directa como el producido, por un devanado de campo en serie, o de forma indirecta por los efectos de saturación. La interdependencia del voltaje E a generado en inducido y las condiciones de circuito magnético en la máquina son una función de la suma de todas las fuerzas fem en la trayectoria de flujo por el eje directo o polar. La fem es colocada intencionalmente en los polos principales del estator para crear el flujo de trabajo, es decir, la fuerza magnetomotriz de campo principal, y luego se incluyen los efectos de reacción del inducido. REACCIÓN DEL INDUCIDO IGNORADA. Sin carga en la máquina o con los efectos de reacción del inducido ignorados, la fem es la suma algebraica de las fuerzas magnetomotrices que actúan en el eje directo o principal. Para el generador o motor compuesto usual que tiene N f vueltas de campo en derivación por polo o N s vueltas de campo en serie o polo, 21

31 1. La máquina de corriente directa Observe que la fem en el campo en serie puede sumarse o restarse de la del campo en derivación; la convención de signos de la ecuación 1.1 es tal que las fem se suman. Habrá más términos en la ecuación 1.1 cuando existan más devanados de campo en los polos principales. Cuando esté ausente el campo en serie o el campo en derivación, el término correspondiente en la ecuación 1.1 se omite. La ecuación 1.1 aumenta en ampere vueltas por polo la fuerza magnetomotriz de los devanados de campo principal que actúan en el circuito magnético principal. La curva de magnetización de una máquina CD se da en función de la corriente solo en el devanado de campo principal, el cual invariablemente es el devanado de campo en derivación cuando hay uno presente. Las unidades de fuerza magnetomotriz de una curva de magnetización y de la ecuación 1.1 pueden hacerse iguales mediante uno de dos pasos. La corriente de campo en la curva de magnetización se multiplica por las vueltas por polo en dicho devanado, y se obtiene una curva en función de ampere vueltas por polo; o ambos lados de la ecuación 1.1 se divide entre N f con lo que las unidades se convierten en la corriente equivalente en la bobina N f sola, la cual produce la misma fem. Por lo tanto: ( ) El voltaje E a generado a cualquier velocidad W m está dado por las siguientes ecuaciones, repetidas en función del estado estable del voltaje generado: ( ) 22

32 1. La máquina de corriente directa O en función de la velocidad de rotación r/min (solo para una máquina CD en derivación): ( ) Cabe mencionar, que las ecuaciones 1.3 y 1.4 son válidas para los generadores en derivación, siempre y cuando el efecto de la variación de la carga no altere el flujo magnético. En estas ecuaciones, w m0 y n 0 son la velocidad de la curva de magnetización en rad/seg y r/min, respectivamente, y E a0 es el voltaje interno generado correspondiente. EFECTOS INCLUIDOS DE LA REACCIÓN DEL INDUCIDO. La corriente en el devanado del inducido ocasiona un efecto desmagnetizador que es provocado por una reacción del inducido de magnetización transversal. En el análisis del desempeño de una máquina, la inclusión de la reacción del inducido es una cuestión de utilizar la curva de magnetización que corresponde a la corriente de inducido implicada. El efecto de la reacción del inducido es aproximadamente el mismo que la fuerza magnetomotriz desmagnetizadora F ar que actua sobre el eje del campo principal. Este término adicional, puede incluirse en la ecuación 1.1, con el resultado de que es posible suponer que la fuerza magnetomotriz neta a través del eje directo es: La curva de magnetización sin carga se utiliza como la relación entre la fem generada y la excitación neta bajo carga con la reacción del inducido considerada como una fem desmagnetizadora. Es posible suponer que el efecto desmagnetizador de la reacción del inducido es aproximadamente proporcional a la corriente del inducido. 23

33 1. La máquina de corriente directa 1.4 Pérdidas. Las máquinas de corriente directa obedecen a la ley de la conservación de la energía. Los generadores de corriente directa toman potencia mecánica y producen potencia eléctrica de corriente directa, los motores de corriente directa toman potencia eléctrica de corriente directa y producen potencia mecánica. Con esto hacen valido el lema la energía no se crea ni se destruye sólo se transforma. En cualquiera de los dos casos no toda la potencia que entra a la máquina es la misma que sale de la máquina en forma útil para la utilización de la misma. Los dos elementos principales de la máquina eléctrica, el flujo magnético y la corriente en los conductores del inducido, producen una cierta cantidad de calor en la máquina. Siempre hay pérdidas asociadas al proceso, por lo que la eficiencia de una máquina se puede expresar con la ecuación siguiente: Por lo tanto, si se conocen las pérdidas en las máquinas de corriente directa se puede obtener el rendimiento correspondiente a cualquier potencia útil o absorbida. Si estamos hablando de un generador la potencia mecánica es la potencia absorbida por la máquina eléctrica y la potencia eléctrica es la suministrada por dicha máquina. 24

34 1. La máquina de corriente directa Si es que se trata de un motor la potencia eléctrica es la absorbida por la máquina y la potencia mecánica es la suministrada por la máquina. La curva de rendimiento proporciona la variación del rendimiento de la máquina en función de la variación de la carga en la misma, tal y como se puede apreciar en la figura siguiente: Figura 1.27 Curva de rendimiento característica en una máquina de corriente directa. Tal como se puede apreciar en la figura, el rendimiento en una máquina va aumentando conforme aumenta la carga, tal como podemos apreciar el máximo rendimiento se tiene cuando se presenta el 70% de la carga nominal y de ahí el rendimiento va disminuyendo pero con una pendiente menos pronunciada. Algo importante a mencionar para poder comprender porque ocurren las pérdidas de potencia en una máquina CD, son las corrientes de Foucault (corriente parasita, también conocida como corrientes torbellino, o Eddy currents) el cual es un fenómeno descubierto por el físico León Foucault en Se produce cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa. El movimiento relativo causa una circulación de electrones, o corriente inducida dentro del conductor. Estas corrientes circulares de Foucault crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del 25

35 1. La máquina de corriente directa campo magnético aplicado. Cuando más fuerte sea el campo magnético aplicado, o mayor la conductividad del conductor, o mayor la velocidad relativa de movimiento, mayores sean las corrientes de Foucault y los campos opuestos generados. Las corrientes de Foucault aparecen en las chapas laminadas simples y producen calor. Las pérdidas por corrientes de Foucault, dependen de la densidad de campo, del número de ciclos magnéticos por segundo, del espesor de las chapas, de la calidad del hierro y de su volumen Pérdidas rotacionales. Las pérdidas de potencia se pueden dividir en dos clases: Pérdidas eléctricas. Se producen por el flujo de la corriente a través de las diversas partes de los devanados de las máquinas. Pérdidas rotacionales o de potencia parasita. Son en función directa de la rotación dinámica de la máquina, a su vez se dividen en dos categorías: i) Pérdidas mecánicas que resultan de la rotación. ii) Pérdidas en el hierro o núcleo que resultan de la rotación. PÉRDIDAS EN EL HIERRO (POR HISTÉRESIS). Pérdidas en el hierro del rotor. Dado que el inducido debe girar con respecto al campo magnético para que se induzca una f.e.m. en los conductores, las partículas de hierro del rotor se magnetizan alternativamente primero en un sentido y luego en el otro. Esto produce pérdidas por histéresis. La magnitud de las pérdidas por histéresis depende del área encerrada en la curva de histéresis, del número de ciclos magnéticos por segundo y del volumen de hierro. 26

36 1. La máquina de corriente directa Donde: Ph = es una medida de la energía eléctrica necesaria para superar la retentividad del hierro en la trayectoria del flujo magnético. kh = constante para el grado de hierro que se esté utilizando. V = volumen de hierro de la máquina que está sujeto al cambio de flujo. B x = densidad de flujo, x, valores cercanos a 2. f = frecuencia. En la práctica se usan unas curvas de pérdidas en el hierro que representan las pérdidas totales en el hierro en watt por libra en función de la densidad del flujo (figura 1.28). Donde: Pe: pérdidas por corrientes parasitas. k1 = constante de corriente parasita para el material conductor. t = espesor del material conductor. B = densidad del flujo. f = frecuencia. V = volumen del material sujeto al cambio de flujo. Figura 1.28 Curvas de pérdidas a 60 ciclos para acero usado en transformadores y dinamos. 27

37 1. La máquina de corriente directa Los valores encontrados en la gráfica son solo una parte de las pérdidas en el hierro totales producidas por el flujo principal. Esto se debe a muchos factores adicionales que aumentan la histéresis así como a las pérdidas por corrientes de Foucault, pero principalmente a estas últimas. Pérdidas en las caras del polo. Las pérdidas del hierro no sólo aparecen en el hierro del rotor, sino también en el hierro del polo. A causa de las ranuras, la curva de distribución del flujo se distorsiona. La densidad de flujo es mayor en los puntos opuestos a los dientes que en los puntos opuestos a las ranuras, debido a la diferencia de reluctancia magnética. A la densidad media del flujo se encuentra superpuesta una ondulación, cuya onda es igual al paso de una ranura, esta ondulación presenta un movimiento con relación a los polos e induce corrientes de Foucault en la superficie del polo. Debido a que un ciclo completo corresponde a un paso de ranura, la frecuencia de esta pulsación viene a estar dada por: Donde Q es el número de ranuras en el rotor. La amplitud de la pulsación del flujo, es decir, la diferencia entre la densidad máxima y media del flujo, depende de la abertura de la ranura. Es mucho mayor en las maquinas con ranuras abiertas que en máquinas con ranuras semicerradas. La pérdida rotacional, es una pérdida constante siempre y cuando la velocidad permanezca constante. Las pérdidas que varían con la corriente de armadura (IA) lo hacen de acuerdo con el cuadrado de la carga (L). A carga nominal, la perdida en el cobre de la armadura, corresponde a la corriente total de armadura al cuadrado por la resistencia de armadura. A su vez, la corriente de armadura, involucra a la corriente de carga (IL) y la corriente de campo (IF). Cabe mencionar que a medida que aumenta la carga, 28

38 1. La máquina de corriente directa también aumentara la eficiencia. PÉRDIDAS MECÁNICAS. Las pérdidas en una máquina de corriente directa están asociadas con los elementos mecánicos. Hay dos tipos básicos de pérdidas mecánicas: Fricción entre las piezas móviles y fricción con el aire. Estas son las pérdidas causadas por la fricción de los rodamientos de la máquina y las causadas por la fricción entre las partes móviles de la máquina y el aire dentro de la carcasa de la máquina. Las pérdidas de fricción de cojinetes dependen de la velocidad, la carga del cojinete y la lubricación. Las pérdidas por resistencia al viento dependen de la construcción del rotor, su velocidad periférica y las restricciones de la máquina al movimiento del aire Pérdidas variables. Las pérdidas variables (que varían de según el cuadrado de la corriente de armadura), son las del cobre de la armadura. La pérdida variable aumenta de acuerdo con el cuadrado de aumento de carga. El flujo principal influye en las pérdidas en el devanado de excitación y también el devanado del inducido. Para poder generar el flujo polar es necesaria una corriente en el devanado de excitación. En las máquinas de corriente continua que generalmente están más saturadas que otras máquinas eléctricas, una pequeña parte del flujo principal va a través de las ranuras y los conductores. Dado que el flujo concatenado con el cobre del inducido cambia con la posición de los polos respecto a los conductores, se inducen corrientes de Foucault en los conductores y, principalmente, en 29

39 1. La máquina de corriente directa aquellos que están en la parte superior de la ranura cerca del entrehierro. Pérdidas por corrientes de Foucault en las partes estructurales. En las máquinas de corriente continua el devanado del inducido se sostiene en su lugar gracias a bandas que están situadas en los surcos del núcleo del rotor. El flujo principal induce corrientes de Foucault en estas bandas de alambre de acero. Pérdidas en el cobre en el devanado del inducido debidas a la distorsión del flujo. La fuerza magnetomotriz del inducido distorsiona el flujo polar, lo cual provoca que aumente la densidad de flujo en una mitad del polo y disminuya en la otra mitad de dicho polo. Esto causa pérdidas por corrientes de Foucault en los conductores del inducido, del mismo tipo que las producidas por el flujo principal en vacío. Estas pérdidas son despreciables en máquinas de corriente directa con devanado de compensación, porque no hay distorsión del flujo. La máxima eficiencia se da, cuando las pérdidas variables, son iguales a las fijas, las cuales consisten a grandes rasgos en la perdida de campo y en la rotacional Pérdidas diversas o varias. Son las pérdidas que no se pueden clasificar en ninguna categoría. Podemos mencionar los errores de lectura en los aparatos de medición, también la precisión, etc. Pérdida debida al limado de ranuras: cuando se han ensamblado las laminaciones, se encontrará en algunos casos que las ranuras son ásperas y deben limarse para evitar cortar el aislamiento de bobina. Esto introduce rebabas en las laminaciones y tiende a poner en cortocircuito la resistencia interlaminar. 30

40 1. La máquina de corriente directa Las pérdidas debidas a distribución no uniforme de flujo en el núcleo de rotor son difíciles de anticipar. Al calcular la densidad de núcleo, se acostumbra suponer distribución uniforme sobre la sección del núcleo. Sin embargo, el flujo toma la trayectoria de menor resistencia y se concentra tras los dientes hasta que la saturación la obliga a pasar en las trayectorias más largas y menos usadas que se encuentran abajo. Como resultado de la concentración, la pérdida de núcleo que es aproximadamente proporcional al cuadrado de la densidad, es mayor que lo calculado. Por lo tanto, no es posible predeterminar la pérdida total del núcleo mediante el uso de fórmulas fundamentales. 1.5 Problemas de conmutación. Existen diferentes tipos de fallas por lo que no produce voltaje un generador de corriente continua y una de ellas es debido a los problemas de conmutación. Conmutación es el proceso de convertir los voltajes y corrientes de corriente alterna existentes en el rotor de una máquina de corriente directa en voltajes y corrientes de corriente directa. El proceso de conmutación no es tan simple como parece, en teoría existen dos efectos que lo impiden, dichos efectos son: 1). Reacción de armadura. Si los arrollamientos que producen el campo magnético en la máquina se conectan a una fuente de excitación y el rotor se hace girar por medio de una fuente de potencia mecánica, entonces se presentaran voltajes inducidos en los conductores del rotor, estos voltajes se rectifican por la acción del colector para obtener una salida de corriente directa. Sí se conecta una carga a las terminales de la máquina de corriente directa va a circular una corriente por el devanado de armadura. Esta corriente genera su 31

41 1. La máquina de corriente directa propio campo magnético, que distorsiona el campo magnético original de los polos de la máquina, esta distorsión del flujo en la máquina a medida que se incrementa la carga se llama reacción de armadura o reacción del inducido. Esta reacción produce serios problemas en las máquinas reales de corriente directa. El primer problema causado por la reacción de armadura es el corrimiento del plano neutro, el plano neutro magnético se define como el plano dentro de la máquina donde la velocidad de los conductores del rotor es exactamente paralela a la dirección de las líneas de flujo magnético, de tal manera que la fuerza electromotriz inducida en esos conductores del plano neutro es exactamente cero. El desplazamiento del plano neutro (figura 1.29), trae como consecuencia que el colector debe tener en corto las delgas que en un momento determinado tengan voltaje cero. Sí las escobillas se mantienen en el plano vertical, efectivamente pondrán en cortocircuito las delgas de voltaje cero, pero solamente mientras la máquina este trabajando sin carga conectada, cuando la máquina se le conecta una carga el plano neutro se corre y las escobillas quedan haciendo el cortocircuito entre delgas que tienen un voltaje diferente a cero. El resultado es que ahora fluye una corriente entre las delgas en corto y la escobilla, en el instante en el que la escobilla pierde el contacto con ellas se interrumpe la corriente y aparece una chispa entre las delgas y la escobilla. El resultado final es que se inicia un arco de chispas en las escobillas, este es un problema que puede reducir la duración de las escobillas, desajustar las delgas del colector y por lo tanto aumentar los costos de mantenimiento. En casos extremos el corrimiento del plano neutro puede ocasionar descargas entre las escobillas y las delgas cercanas, normalmente en las proximidades de 32

42 1. La máquina de corriente directa las escobillas el aire se ioniza como resultado de las chispas, la descarga se presenta cuando el voltaje de las delgas adyacentes es el suficiente para mantener un arco a través del aire ionizado, cuando hay descarga el arco resultante puede llegar a fundir la superficie del colector. Figura 1.29 Desarrollo de la reacción del inducido en un generador CD. a) en principio, el flujo polar esta uniformemente distribuido y el plano magnético neutro es vertical: b) efecto del entrehierro en la distribución del flujo polar; c) campo magnético resultante en el inducido cuando se conecta carga a la máquina; d) se muestran juntos los flujos del rotor y polar, indicando puntos donde se suman y donde se restan; e) flujo resultante bajo los polos. El plano neutro ha sido desplazado en dirección del movimiento. Otro problema provocado por la reacción de armadura es el debilitamiento del flujo. La mayoría de las máquinas operan con una densidad de flujo cercana al punto de saturación, entonces en la zona de la superficie del polo en la cual la fuerza magnetomotriz del rotor se suma a la fuerza magnetomotriz del polo, se 33

43 1. La máquina de corriente directa presenta un pequeño aumento del flujo, sin embargo en la zona de la superficie del polo en donde la fuerza magnetomotriz del rotor se opone a la fuerza magnetomotriz del polo, se presenta una notoria disminución del flujo, el resultado neto es que el flujo promedio bajo el polo se disminuye. 2). El segundo problema importante que crea la conmutación es el voltaje auto inducido que se presenta en las delgas puestas en corto por las escobillas. Este voltaje algunas veces se llama golpe inductivo, a pesar de que la inductancia de la espira es pequeña se induce un voltaje significativo entre las delgas en cortocircuito. Este voltaje alto ocasiona chisporroteo en las escobillas resultando un arco y por lo tanto los mismos problemas del corrimiento del plano neutro. Figura 1.30 a) Inversión del flujo de corriente en una bobina bajo conmutación. Nótese que la corriente en la bobina, entre los segmentos a y b, debe invertir la dirección mientras la escobilla cortocircuita conjuntamente a los dos segmentos de conmutación. b) inversión de corriente de la bobina bajo conmutación, como función del tiempo tanto para conmutación ideal como para una conmutación real, teniendo en cuenta la inductancia de la bobina. 34

44 1. La máquina de corriente directa Solución de los problemas en la conmutación. Se han desarrollado tres procedimientos para corregir parcial o totalmente los problemas de la reacción de armadura y de los voltajes auto inducidos. 1.) Corrimiento de las escobillas. El primer intento por mejorar el proceso de conmutación en máquinas de corriente directa comenzó eliminando el chisporroteo en las escobillas causado por el desplazamiento de la zona neutral y por el voltaje auto inducido, una solución fue poner las escobillas un poco corridas para eliminar las chispas, pero en la práctica hay varios inconvenientes asociados. El desplazamiento del plano neutro varia con la carga y además la dirección del desplazamiento cambia cuando la máquina opera como generador o como motor, por lo que sería necesario ajustar la posición de las escobillas en todo momento de acuerdo con la variación de la carga de la máquina, además al correr las escobillas se pueden eliminar las chispas, pero se acentúa el debilitamiento del flujo esto se debe a: 1. La fuerza magnetomotriz del rotor tiene una componente que se opone a la fuerza magnetomotriz de los polos. 2. El cambio en la distribución de corrientes de la armadura produce una concentración de flujo en la zona saturada de las áreas pobres. Otra propuesta fue fijar las escobillas en una posición intermedia, en este caso hay chispas cuando la máquina funciona en vacío o a plena carga. El corrimiento de las escobillas solo se usa en máquinas muy pequeñas donde otro método seria costoso. 35

45 1. La máquina de corriente directa Figura 1.31 a) Fuerza magnetomotriz neta en una máquina de cuyas escobillas están en el plano vertical. b) Fuerza magnetomotriz neta en una máquina de cuyas escobillas están sobre el plano neutro desplazado. Nótese que ahora hay una componente de la fuerza magnetomotriz del inducido directamente en oposición a la fuerza magnetomotriz de los polos, y se reduce la fuerza magnetomotriz neta de la máquina. 2.) Polos auxiliares de conmutación o interpolos. Debido a la desventaja que presenta el ajuste en la posición de las escobillas para condiciones de carga se buscó la forma de solucionar los problemas de conmutación en las máquinas. La idea básica es que si se logra hacer cero el voltaje en los conductores en el proceso de conmutación entonces no habrá chispas en las escobillas. Para lograrlo se colocaron polos más pequeños entre los polos principales y se les llamaron polos de conmutación o interpolos. Los polos de conmutación no modifican las condiciones de operación de la máquina pues se hacen tan pequeños que solamente afectan a los conductores que están en conmutación, tampoco se modifica la reacción de armadura frente a los polos principales pues el efecto de los polos de 36

46 1. La máquina de corriente directa auxiliares no se extiende tanto, es decir, el debilitamiento del flujo no se modifica con la presencia de los polos de conmutación. Figura 1.32 Máquina CD con interpolos. Para lograr que la anulación del voltaje sea perfecta para cualquier condición de carga, simplemente conectando los devanados de los polos auxiliares en serie con el devanado del rotor, así cuando se incrementa la carga, crece la corriente del rotor y también aumentan sus efectos, el corrimiento del plano neutro y la magnitud del voltaje autoinducido. También aumentaran el voltaje de los conductores en conmutación, sin embargo el flujo del polo auxiliar también crece, produciendo en los conductores un voltaje también alto y de sentido opuesto al ocasionado por el crecimiento del plano neutro. El resultado neto es que los dos efectos se anulan para un rango bastante amplio de cargas, los polos auxiliares trabajan para cualquier forma de operación de las máquinas. Los interpolos deben tener la polaridad del polo principal que le sigue. 3.) Devanados de compensación. Para motores que operan en condiciones de trabajo muy pesadas el debilitamiento del flujo puede convertirse en un problema serio, para eliminar completamente los dos efectos de la reacción de armadura se colocan devanados de compensación en ranuras hechas en las caras de los polos asentadas paralelamente a los conductores del rotor con el fin de eliminar el efecto de distorsión del 37

47 1. La máquina de corriente directa campo creado por la reacción de armadura. Estos devanados se conectan en serie con el devanado del rotor, de tal manera que si cambia la carga, también cambia la corriente en el devanado de compensación. La mayor desventaja de los devanados de compensación es que son costosos, ya que deben ser maquinados en las caras de los polos. Figura 1.33 Efecto de los devanados de compensación en una máquina CD. a) Flujo polar en la máquina; b) flujos del inducido y de los devanados de compensación; nótese que son iguales y opuestos. c) Flujo neto en las máquinas, justamente el flujo original del polo. 1.6 Obtención de la curva de saturación. En la práctica, existen varios efectos que impactan la eficiencia y el funcionamiento de las máquinas de CD. Las más relevantes son la característica de saturación del material ferromagnético, la reacción de armadura y las pérdidas eléctricas y mecánicas. Las últimas dos ya se han mencionado y explicado anteriormente, ahora toca 38

48 1. La máquina de corriente directa turno a la curva de saturación del material ferromagnético. Puesto que las máquinas de corriente continua están constituidas de material ferromagnético con características no ideales, es conveniente analizar el efecto de la saturación del material en las relaciones de voltaje y corriente de armadura y de campo. Para ello, se usa la llamada característica de excitación de la máquina de C.D. o curva de saturación en vacío, la cual, es la misma para la máquina actuando como generador o como motor. Para un material ferromagnético, la relación entre la densidad de flujo y la intensidad de campo no es constante debido al alineamiento de los dipolos que conforman el material. El mismo efecto se aprecia al observar la curva de flujo vs corriente de campo debido a las relaciones de proporcionalidad involucradas, es decir, φαb e IφH, figura En la práctica, es difícil medir el flujo generado en forma directa, por lo cual, el procedimiento empleado consiste en configurar la máquina de CD como un generador de excitación separada y hacerlo funcionar en vacío de modo de medir el voltaje generado en los bornes del rotor, figura Figura 1.34 Curva de excitación. Figura 1.35 Generador de excitación separada operando en vacío. 39

49 1. La máquina de corriente directa En esta configuración la máquina de corriente directa opera como generador y el voltaje generado Ea es proporcional al flujo φ, de manera que la curva de magnetización del material ferromagnético se analiza en el gráfico Ea vs Ic. Si mantenemos una misma velocidad la fem inducida Ea será proporcional al flujo φ. Por otra parte, de acuerdo a la ley de Ampere la intensidad de campo magnético H es proporcional a la corriente Ic. En consecuencia, la curva Ea vs Ic corresponde a la característica de excitación o curva de saturación en vacío, según se muestra en la Figura Esta curva se puede obtener en un laboratorio conectando la máquina de CD como generador de excitación separada y midiendo el voltaje generado en los bornes de la armadura, cuando se aumenta progresivamente la corriente de campo (a través de la variación del reóstato Rr). Es importante notar que la velocidad de giro del eje debe mantenerse constante durante toda la prueba, ya que de lo contrario, la relación de proporcionalidad entre el flujo y el voltaje generado varía y la curva de saturación en vacío se deforma. Figura 1.36 Característica de excitación o curva de saturación en vacío. En general, basta con obtener la característica de saturación en vacío para una única velocidad n1, ya que una vez obtenida, es posible determinar fácilmente esta curva para cualquier otra velocidad n2 distinta a la anterior. El método que se emplea para hacerlo, consiste en construir el gráfico Ea vs Ic 40

50 1. La máquina de corriente directa punto a punto considerando que, para una corriente de campo constante, los valores de voltaje inducido tienen una relación de proporcionalidad idéntica a la que existe entre las velocidades: Desde un punto de vista práctico, las máquinas de CD se diseñan de modo de lograr una máxima potencia por unidad de peso. Esto se consigue al situar el punto de operación nominal de la máquina cercano al codo de la curva de saturación del material ferromagnético, con lo cual, cualquier aumento del voltaje generado en torno a este punto va a requerir de un aumento importante de la corriente de campo que se está proporcionando a la máquina. Figura 1.37 Curvas de excitación a distintas velocidades. 1.7 Construcción de las máquinas CD. La figura 1.38 muestra un esquema de una máquina CD. La estructura física de la máquina consta de dos partes: el estator o parte estacionaria de la máquina y el rotor o parte rotante de la máquina. La parte estacionaria de la máquina consta de una estructura que proporciona el soporte físico y las piezas polares, las cuales se proyectan hacia dentro y proveen el camino para el flujo magnético en la máquina. 41

51 1. La máquina de corriente directa Los extremos de las piezas polares cercanos al rotor se extienden hacia fuera, sobre la superficie del rotor, para distribuir el flujo uniformemente sobre la superficie del rotor. Estos extremos son llamados zapatas polares. La superficie expuesta de una zapata polar se llama cara polar y la distancia entre la cara polar y el rotor se llama entrehierro. Figura 1.38 Diagrama simplificado de una máquina CD. En una máquina CD hay dos devanados principales: los devanados del inducido (armadura) y los devanados de campo. Los devanados del inducido están definidos como aquellos en los cuales es inducido voltaje, y los devanados de campo están definidos como aquellos que producen el flujo magnético principal en la máquina. En una máquina CD, los devanados del inducido están localizados en el rotor y los devanados de campo están localizados en el estator. Debido a que los devanados del inducido están localizados en el rotor, el rotor en una máquina CD es llamado a veces armadura Construcción de los polos y la estructura. Con frecuencia los polos principales de las viejas máquinas CD se fabricaban en una sola pieza fundida de metal, con los devanados de campo envueltos a su alrededor. Los extremos laminados estaban atornillados para reducir las pérdidas en el núcleo en las caras polares. Puesto que los grupos 42

52 1. La máquina de corriente directa controladores de estado sólido han llegado a ser comunes, los polos principales de las máquinas más recientes están elaborados por completo en material laminado. Esto se debe a que hay mucho mayor contenido alterno en la potencia suministrada a los motores CD alimentados por estos grupos controladores de estado sólido, lo cual origina perdidas mucho mayores en los estatores de las máquinas, debidas a las corrientes parasitas. Las caras polares son típicamente achaflanadas o excéntricas en su construcción, lo cual significa que los extremos de una cara polar son ligeramente más espaciados de la superficie del rotor que el centro de la cara polar, figura Esta acción aumenta la reluctancia en los extremos de la cara polar y reduce el efecto de agrupamiento del flujo ocasionado por la reacción del inducido en la máquina. Figura 1.39 Polos con amplitud de entrehierro adicional en los extremos para reducir la reacción del inducido. a) Polos achaflanados; b) polos excéntricos o uniformemente nivelados. Los polos de la máquina CD se llaman polos salientes porque se proyectan hacia fuera de la superficie del estator. Los interpolos en las máquinas CD están localizados entre los polos principales. En ellos es cada vez más común la construcción laminada debido a los mismos problemas de pérdidas que ocurren en los principales. Algunos fabricantes están también construyendo en láminas la porción de la estructura que sirve como camino de retorno al flujo magnético (culata) para reducir más las perdidas en el núcleo en motores controlados electrónicamente 43

53 1. La máquina de corriente directa Construcción del rotor o armadura. El rotor o armadura de una máquina CD consiste en un eje maquinado de una barra de acero y un núcleo montado sobre él. El núcleo está compuesto de muchas láminas troqueladas de una placa de acero, con ranuras a lo largo de su superficie exterior para alojar los devanados del inducido. El colector está construido sobre el eje del rotor en un extremo del núcleo. Las bobinas del inducido se disponen en las ranuras del núcleo, y sus extremos están conectados a los segmentos de conmutación. La figura 1.40 muestra el rotor de una máquina CD. Figura 1.40 Rotor de una máquina CD Colector y escobillas. En una máquina CD (figura 1.41), el colector esta hecho de barras de cobre, aislado con mica. Las barras de cobre se fabrican suficientemente gruesas para permitir un desgaste normal durante la vida útil del motor. El aislamiento de mica entre los segmentos de conmutación es más duro que el material del colector en sí; en consecuencia, con el paso del tiempo es necesario socavar el aislamiento del colector para asegurarse de que sobresalga por encima del nivel de las barras de cobre. Las escobillas de la máquina, elaboradas en carbón, grafito, metal grafitado o una mezcla de carbón y grafito, tienen una alta conductividad para reducir pérdidas eléctricas, y tienen bajo coeficiente de rozamiento para reducir el desgaste excesivo. Se fabrican deliberadamente de un material mucho más blando que el de los 44

54 1. La máquina de corriente directa segmentos del colector para que la superficie de este se desgaste muy poco. Escoger el grado de dureza de las escobillas es difícil; si las escobillas son demasiado blandas, deberán ser reemplazadas con bastante frecuencia; si son demasiado duras, la superficie del colector se desgastara en exceso durante la vida útil de la máquina. Figura 1.41 Estructura completa de una máquina CD. Todo desgaste ocurrido en la superficie del colector es resultado directo del rozamiento obligatorio de las escobillas con ella para convertir el voltaje CA de los conductores del rotor en voltaje CD en los terminales de una máquina. Si la presión de las escobillas es muy grande, tanto las escobillas como las barras del colector se desgastaran demasiado; sin embargo, si la presión de ellas es muy pequeña, las escobillas tienden a apoyarse ligeramente sobre el colector y ocurre una gran cantidad de chisporroteo en la interfaz escobillasegmento de conmutación. Este chisporroteo es igualmente dañino para las escobillas y para la superficie del colector. Por tanto, la presión de la escobilla sobre la superficie del colector se debe ajustar con cuidado para lograr máximo de vida. Otro factor que afecta el desgaste de las escobillas y los segmentos del colector en una máquina CD es la cantidad de corriente que fluye en la máquina. Normalmente, las escobillas descansan en la superficie del colector sobre una delgada capa de óxido que lubrica el movimiento de la escobilla 45

55 1. La máquina de corriente directa sobre los segmentos. Sin embargo, si la corriente es muy pequeña, esta capa se desintegra y aumenta más la fricción entre las escobillas y el colector. Este aumento de rozamiento contribuye a un rápido desgaste. Para maximizar la vida de la escobilla, la máquina debe cargarse por lo menos parcialmente todo el tiempo Aislamiento de los devanados. Además del colector, la parte más crítica del diseño de un motor CD es el aislamiento de sus devanados. Si se avería el aislamiento de los devanados del motor, este se cortocircuita. La reparación de una máquina con aislamiento en corto es muy costosa, si es posible repararla. Para evitar que se dañe el aislamiento de los devanados de las máquinas por sobrecalentamiento, es necesario limitar la temperatura de los devanados. Esto se puede lograr de manera parcial, proporcionándoles refrigeración por aire, pero en últimas, la máxima temperatura de los devanados limita la potencia máxima suministrada continuamente por la máquina. El aislamiento casi nunca se rompe de inmediato a una temperatura crítica. En cambio, el incremento de la temperatura produce una degradación paulatina del aislamiento haciéndolo susceptible de falla por otras causas como impacto, vibración o esfuerzo eléctrico. Para estandarizar los límites de temperatura del aislamiento de las máquinas de los Estados Unidos, la National Electrical Manufacturers Association (NEMA) definió una serie de clases de aislamiento. Cada clase especifica la máxima elevación permisible de temperatura para cada tipo de aislamiento. Existen cuatro clases de aislamiento estándar NEMA para motores CD: A, B, F y H. Cada clase representa una temperatura permisible en el devanado, mayor que la anterior. Se debe limitar a 70ºC para el de clase A de aislamiento, 100ºC para el de la clase B, 130ºC para el de la clase F y 155ºC para el de la clase H. 46

56 2. Fuentes de corriente directa 2. FUENTES DE CORRIENTE DIRECTA. Por regla general, el flujo magnético de cualquier máquina eléctrica está originado por electroimanes, de esta forma se puede regular dicho flujo solo con variar la corriente que circula por la bobina que constituye el electroimán. Éstas se denominan bobinas excitadoras, y la corriente que circula por ellas, corriente de excitación. Dicha corriente puede ser suministrada por la propia máquina eléctrica, denominándose, en este caso máquina auto-excitada. Por el contrario, si la corriente de excitación se la suministra otra máquina (generador auxiliar), entonces se dice que la máquina posee excitación independiente. Los distintos sistemas de excitación empleados dan lugar a que las máquinas eléctricas, ya sean generadores o motores, poseen características de funcionamientos diferentes y por lo tanto de utilización. Figura 2.1 Máquina con excitación independiente. Figura 2.2 Máquina autoexcitada. 47

57 2. Fuentes de corriente directa 2.1 Generadores de corriente directa. Los generadores CD son máquinas de corriente continua utilizadas como generadores. No hay diferencia real entre un generador y un motor excepto por la dirección del flujo de potencia. Existen cinco tipos principales de generadores CD, clasificados de acuerdo con la manera de producir su flujo de campo: 1. Generador de excitación separada. En un generador de excitación separada, el flujo de campo se obtiene de una fuente de potencia separada del generador en sí mismo. 2. Generador en derivación. En un generador en derivación, el flujo de campo se obtiene conectando el circuito de campo directamente a través de los terminales del generador. 3. Generador en serie. En un generador en serie, el flujo de campo se produce conectando el circuito de campo en serie con el inducido del generador. 4. Generador compuesto acumulativo. En un generador compuesto acumulativo están presentes tanto un campo en derivación como un campo en serie, y sus efectos son aditivos. 5. Generador compuesto diferencial. En un generador compuesto diferencial están presentes tanto un campo en derivación como un campo en serie, pero sus efectos se restan. Estos tipos de generadores CD difieren en sus características en terminales (voltaje-corriente) y, por tanto, en las aplicaciones para las cuales son adecuados. Los generadores CD son comparados por sus voltajes, potencias nominales, eficiencias y regulaciones de voltaje. La regulación de voltaje (VR) está definida por la ecuación: 48

58 2. Fuentes de corriente directa Donde es el voltaje en los terminales del generador en vació y es el voltaje en los terminales del generador a plena carga. Es una medida aproximada de la forma de la característica voltaje-corriente del generador: una regulación de voltaje positiva significa una característica descendente y una regulación de voltaje negativa una característica en ascenso. Figura 2.3 Características Volt-Ampere de generadores CD. Todos los generadores están accionados por una fuente de potencia mecánica denominada motor primario del generador. Un motor primario para un generador CD puede ser una turbina de vapor, un motor diésel o también un motor eléctrico. Puesto que la velocidad del motor primario afecta el voltaje de salida del generador, y las características de velocidad de los motores primarios pueden variar ampliamente, es costumbre suponer que la velocidad de los motores primarios es constante para comparar la regulación de voltaje y las características de salida de los diferentes generadores. Los generadores CD son muy escasos en los sistemas de potencia modernos. Incluso sistemas de potencia CD como los de los automóviles utilizan generadores AC más rectificadores para producir la potencia CD. El circuito equivalente de un generador CD de excitación separada se muestra en la figura 2.4; en la figura 2.5, una versión simplificada de aquel. Ambos son similares a los circuitos equivalentes de un motor CD, excepto que la dirección 49

59 2. Fuentes de corriente directa del flujo de corriente y las perdidas en las escobillas se invierten. Figura 2.4 Circuito equivalente de un generador CD. Figura 2.5 Circuito equivalente simplificado de un generador CD, en que R F combina las resistencias de las bobinas de campo y del control variable Generador de excitación separada. Un generador de excitación separada es aquel cuya corriente de campo es suministrada por una fuente externa separada de voltaje CD. El circuito equivalente de tal máquina se muestra en la figura 2.6. En este circuito, V t representa el voltaje actual medido en los terminales del generador e I L representa la corriente que fluye en las líneas conectadas a los terminales. El voltaje interno generado es E A y la corriente del inducido es I A. Es claro que la corriente del inducido es igual a la corriente de línea en un generador de excitación separada: Figura 2.6 Generador CD de excitación separada. 50

60 2. Fuentes de corriente directa CARACTERÍSTICA EN TERMINALES DE UN GENERADOR DE EXCITACIÓN SEPARADA. La característica en terminales de un dispositivo es una gráfica de las cantidades de salida del dispositivo comparadas entre sí. En un generador CD, las cantidades de salida son su voltaje en terminales y su corriente de línea. La característica en terminales de un generador con excitación separada es una gráfica de V T contra I L a una velocidad constante ω. Por la ley de voltajes de Kirchhoff, el voltaje en los terminales es: El voltaje interno generado es independiente de, la característica en los terminales de un generador de excitación separada es una línea recta, como se muestra en la figura 2.7a. Figura 2.7 característica de los terminales de un generador de excitación separada: a) con los devanados de compensación y b) sin estos. 51

61 2. Fuentes de corriente directa Qué ocurre en un generador de esta clase cuando aumenta la carga? Cuando se incrementa la carga suministrada por el generador, I L (y por tanto ) aumenta. Como la corriente del inducido aumenta, se incrementa la caída y cae el voltaje en los terminales del generador. Esta característica en los terminales no es siempre del todo exacta. En generadores sin devanados de compensación, un aumento en origina un incremento en la reacción del inducido y esta causa debilitamiento del flujo, que a su turno ocasiona una disminución en, la cual disminuye aún más el voltaje en los terminales del generador. La característica resultante en los terminales se muestra en la figura 2.7b. CONTROL DEL VOLTAJE EN LOS TERMINALES. El voltaje en los terminales de un generador CD de excitación separada puede controlarse cambiando el voltaje interno generado de la máquina. Según la ley de Kirchhoff V T =E A -I A R A, de modo que, si E A aumenta, V T aumentara y si E A disminuye, V T disminuirá. Puesto que el voltaje interno generado E A está dado por la ecuación E A =Kφω, hay dos formas posibles de controlar el voltaje de este generador: 1. Cambio de la velocidad de rotación. Si ω aumenta, entonces E A = Kφω se incrementa; por tanto, V T =E A -I A R A, también aumenta. 2. Cambio de la corriente de campo. Si R F disminuye, entonces aumenta la corriente de campo (I F = V F / R F ). En consecuencia, el flujo φ en la máquina aumenta. Como el flujo aumenta, E A = Kφω debe elevarse también, de modo que V T = E A -I A R A se incrementa. En muchas aplicaciones, el rango de velocidad del motor primario es muy limitado; por tal razón el voltaje en los terminales se controla, cambiando la corriente de campo. ANÁLISIS NO LINEAL DE UN GENERADOR CD DE EXCITACIÓN SEPARADA. 52

62 2. Fuentes de corriente directa Debido a que el voltaje interno generado es una función no lineal de la fuerza magnetomotriz de un generador, no es posible calcular sencillamente el valor de E A esperado para una corriente de campo dada. La curva de magnetización del generador debe utilizarse para calcular aproximadamente el voltaje de salida correspondiente a un voltaje de entrada dado. Además, si una máquina tiene reacción del inducido, su flujo se reducirá con cada aumento de carga y hará que E A disminuya. La única forma para determinar aproximadamente el voltaje de salida en la máquina con reacción del inducido es utilizar el análisis gráfico. La fuerza magnetomotriz total en un generador de excitación separada es la fuerza magnetomotriz del circuito de campo menos la fuerza magnetomotriz debida a la reacción del inducido (AR): El voltaje resultante E A0 puede determinarse localizando la corriente equivalente sobre la curva de magnetización. La corriente equivalente de campo de un generador CD de excitación separada está dada por: La diferencia entre la velocidad de la curva de magnetización y la velocidad real del generador debe ser tomada en cuenta utilizando la ecuación 2.6: Generador CD en derivación. Un generador CD en derivación es aquel que suministra su propia corriente de campo conectando su campo directamente a los terminales de la máquina. El circuito equivalente de un generador CD en derivación se muestra en la figura 2.8. En este circuito, la corriente del inducido alimenta tanto al circuito de campo como a la carga conectada a la máquina: 53

63 2. Fuentes de corriente directa La ecuación correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff para el circuito del inducido de esta máquina es: Figura 2.8 Circuito equivalente de un generador CD en derivación. Este tipo de generador tiene una clara ventaja sobre el generador CD de excitación separada porque no requiere fuente externa alguna para el circuito de campo, aunque esto deja una importante pregunta sin responder: si el generador suministra su propia corriente de campo, Cómo obtiene el flujo de campo inicial para arrancar cuando se energiza en primera instancia? AUMENTO DE VOLTAJE EN UN GENERADOR EN DERIVACIÓN. Si el generador de la figura 2.8 no tiene carga conectada a él y el motor primario comienza a girar el eje del generador, Cómo aparece el voltaje inicial en los terminales de una maquina? El aumento de voltaje en un generador CD depende de la presencia de un flujo residual en los polos del generador. Cuando un generador comienza a girar, se generará un voltaje interno dado por: 54

64 2. Fuentes de corriente directa Este voltaje aparece en los terminales del generador (puede ser solo uno volt o dos). La aparición de ese voltaje en los terminales causa un flujo de corriente en la bobina de campo del generador (I F = V T / R F ). Esta corriente de campo produce una fuerza magnetomotriz en los polos que incrementa el flujo en ellos, el cual aumenta, que a su turno incrementa el voltaje en los terminales V T. Cuando se eleva V T, I F se eleva aún más, aumentando más el flujo φ, que incrementa E A, etc. Este comportamiento de aumento de voltaje se muestra en la figura 2.9. Nótese que el efecto de la saturación magnética en las caras polares limita con el tiempo el voltaje en los terminales del generador. La figura 2.9 muestra el aumento del voltaje como si hubiese ocurrido en pasos discretos. En un generador real, el voltaje no aumenta en pasos discretos: en su lugar tanto E A como I F aumentan simultáneamente hasta que alcanzan las condiciones de estado estacionario. Figura 2.9 Aumento del voltaje en el arranque de un generador CD en derivación. Hay varias causas posibles para que no aumente el voltaje durante el arranque: 1. Ausencia de flujo magnético residual en el generador para comenzar el proceso. Si el flujo residual = 0, entonces E A = 0 y el voltaje nunca aumentaría. Si esto ocurre, es necesario desconectar el campo del circuito del inducido y conectarlo directamente a una fuente CD externa (batería). 55

65 2. Fuentes de corriente directa El flujo proveniente de la fuente externa dejara un flujo residual en los polos que permitirá un arranque normal. Este procedimiento se conoce como centello del campo. 2. Inversión de la dirección de rotación del generador o de las conexiones del campo. En todo caso, el flujo residual produce un voltaje interno generado E A. Este voltaje E A origina una corriente de campo que genera un flujo que se opone al residual, en lugar de sumarse a él. En estas circunstancias, el flujo disminuye por debajo de y no puede generarse ningún voltaje. Este problema puede solucionarse invirtiendo la dirección de las conexiones de campo o centellando el campo con la polaridad magnética opuesta. 3. Ajuste de la resistencia de campo a un valor superior al de la resistencia critica. Para entender este problema vea la figura El generador en derivación aumentara el voltaje hasta el punto en que la curva de magnetización interseca la línea de resistencia del campo. Si la resistencia de campo tiene el valor R 2 mostrado en la figura, su línea es aproximadamente paralela a la curva de magnetización. En ese punto, la fluctuación del voltaje del generador puede ser muy amplia y presentar solo pequeños cambios en R F I A. Este valor de la resistencia se llama resistencia crítica. Si R F excede el valor de la resistencia critica (como en R 3 de la figura), entonces el voltaje de operación en estado estacionario está en el nivel residual y nunca se elevara. La solución a este problema es reducir R F. El voltaje de la curva de magnetización varia como función de la velocidad del eje, así que la resistencia critica varia también con la velocidad. En general, cuanto más baja sea la velocidad del eje, mejor es la resistencia crítica. 56

66 2. Fuentes de corriente directa Figura 2.10 Efecto de la resistencia de campo en derivación, sobre el voltaje en los terminales de un generador en vacío. Si R F > R 2 (resistencia critica), entonces el voltaje del generador nunca se elevará. CARACTERÍSTICA DE LOS TERMINALES DE UN GENERADOR CD EN DERIVACIÓN. La característica de los terminales de un generador CD en derivación difiere de la de un generador de excitación separada en que la cantidad de corriente de campo en la máquina, depende del voltaje en sus terminales. Para entender la característica de los terminales de un generador en derivación, se parte de la máquina descargada, luego se adiciona carga. Como se incrementa la carga sobre el generador, I L aumenta y por tanto I A = I F + I L también aumenta. Un aumento en I A, incrementa la caída de voltaje en la resistencia del inducido I A R A y causa que V T = E A I A R A disminuya. Este es el mismo comportamiento observado en un generador de excitación separada. Sin embargo, cuando V T disminuye, la corriente de campo en la máquina disminuye con él. Esto causa que el flujo en la máquina disminuya, y se reduzca E A. La reducción de E A causa una reducción más fuerte del voltaje en los terminales V T = E A I A R A. La característica de los terminales resultantes se muestra en la figura La regulación de voltaje de este generador es peor que la regulación de voltaje 57

67 2. Fuentes de corriente directa lograda con el mismo equipo conectado con excitación separada. Figura 2.11 Característica de los terminales de un generador CD en derivación. CONTROL DE VOLTAJE PARA UN GENERADOR CD EN DERIVACIÓN. Existen dos maneras de controlar el voltaje de un generador en derivación: 1. Cambio de la velocidad del eje ω m del generador. 2. Cambio de la resistencia de campo del generador y, por tanto, cambiando la corriente de campo. El cambio de la resistencia de campo es el principal método utilizado para controlar el voltaje en los terminales de los generadores reales en derivación. Si la resistencia de campo R F disminuye, entonces la corriente de campo I F = V T / R F aumenta. Cuando I F se incrementa el flujo φ de la máquina aumenta y originan un incremento en el voltaje interno generado E A. El aumento en E A causa que el voltaje en los terminales del generador también aumente. ANÁLISIS DE GENERADORES CD EN DERIVACIÓN. El análisis de un generador CD en derivación es complicado, debido a que la corriente de campo de la máquina depende directamente de su propio voltaje de salida. En primer lugar se aborda el análisis del generador en derivación para máquinas sin reacción del inducido y después se incluyen los efectos de reacción del inducido. La figura 2.12 muestra una curva de magnetización de un generador CD en 58

68 2. Fuentes de corriente directa derivación, dibujada a la velocidad real de operación de la máquina. La resistencia de campo R F que es igual a V T / I F, aparece como una línea recta tendida sobre la curva de magnetización. En vacío, V T = E A y el generador opera al voltaje, en el cual, la curva de magnetización interseca la línea de resistencia de campo. Figura 2.12 Análisis gráfico de un generador CD en derivación, con devanados de compensación. La diferencia entre el voltaje interno generado y el voltaje en los terminales corresponde a la caída I A R A en la máquina. La línea de todos los valores posibles de E A es la curva de magnetización, y la línea de todos los voltajes posibles en los terminales es la línea de resistencia (I F = V T / R F ). Por tanto, para encontrar el voltaje en los terminales para una carga dada, es necesario determinar la caída I A R A y localizar el lugar de la gráfica donde la caída encaja exactamente entre la línea E A y la línea V T. Existen por lo menos dos lugares de la curva donde la ciada I A R A encajara exactamente. Si un generador en derivación presenta reacción del inducido, este proceso se complica aún más. La reacción del inducido produce una fuerza magnetomotriz desmagnetizante en el generador, simultánea con la caída I A R A en la máquina. Para analizar un generador que presenta reacción del inducido, supóngase que se conoce su corriente del inducido; entonces se conoce la caída de voltaje resistiva I A R A y así mismo, la fuerza magnetomotriz desmagnetizante de la 59

69 2. Fuentes de corriente directa corriente del inducido. El voltaje en los terminales de este generador debe ser suficientemente alto para suministrar el flujo del generador después de restar los efectos desmagnetizantes de la reacción del inducido. Para cumplir esto, tanto la fuerza magnetomotriz de la reacción del inducido como la caída I A R A debe encajar entre la línea E A y la línea V T. Para determinar el voltaje de salida para una fuerza magnetomotriz dada, se debe localizar el lugar bajo la curva de magnetización donde el triángulo formado por los efectos de la reacción del inducido y de I A R A encaja exactamente entre la línea de los posibles valores V T y la línea de los posibles valores E A (figura 2.13) Generador CD serie. Figura 2.13 Análisis gráfico de un generador CD en derivación con reacción del inducido. Un generador CD serie es aquel cuyo devanado de campo está conectado en serie con su inducido. El inducido tiene una corriente mucho mayor que un campo en derivación, el campo serie en un generador de esta clase tendrá solo unas muy pocas vueltas de alambre y el conductor utilizado será mucho más grueso que el de un campo en derivación. Puesto que la fuerza magnetomotriz está dada por la ecuación =NI, unas pocas vueltas con alta corriente pueden producir una fuerza magnetomotriz igual a la producida por muchas vueltas con baja corriente. Un campo serie se 60

70 2. Fuentes de corriente directa diseña para que tenga la más baja resistencia posible, dado que la corriente de plena carga fluye a través de él. En la figura 2.14 se muestra el circuito equivalente de un generador serie CD. Aquí, la corriente del inducido, la corriente de campo y la corriente de línea son iguales. La ecuación correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff para esta máquina es: CARACTERÍSTICA DE LOS TERMINALES DE UN GENERADOR SERIE. La curva de magnetización de un generador CD serie se parece mucho a la de cualquier generador. En vacío, sin embargo, no hay corriente de campo; por tanto, V T se reduce a un pequeño nivel dado por el flujo residual de la máquina. Cuando aumenta la carga, aumenta la corriente de campo y E A se eleva con rapidez. Aunque la caída I A (R A +R S ) también aumenta, al principio el aumento en E A es más rápido que la caída I A (R A +R S ), en consecuencia, V T aumenta. Al poco rato, la máquina se aproxima a la saturación y E A llega a ser casi constante. En ese punto, la caída resistiva es el efecto predominante, y V T comienza a caer. Figura 2.14 Circuito equivalente de un generador CD serie. En la figura 2.15 se muestra este tipo de característica. Es obvio que esta máquina no sería una buena fuente de voltaje constante. En efecto, su regulación de voltaje es un número negativo grande. 61

71 2. Fuentes de corriente directa Los generadores serie se utilizan solo en unas pocas aplicaciones especiales donde puede explotarse la característica empinada del voltaje del equipo. Una de tales aplicaciones es la soldadura de arco. Los generadores en serie utilizados en soldadura de arco se diseñan deliberadamente con gran reacción del inducido, la cual les da una característica de los terminales. Cuando los electrodos del soldador hacen contacto entre sí, antes de comenzar a soldar, fluye una corriente muy alta. Cuando el operador separa los electrodos del soldador, se produce un aumento muy empinado en el voltaje del generador, mientras la corriente permanece alta. Este voltaje asegura que el arco de soldadura se mantenga en el aire, entre los electrodos Generador CD compuesto acumulativo. Un generador CD compuesto acumulativo es un generador CD con campo serie y campo en derivación, conectados de tal manera que las fuerzas magnetomotrices de los dos campos se suman. La figura 2.16 muestra el circuito equivalente de un generador CD compuesto acumulativo en conexión de derivación larga. Los puntos que aparecen en las dos bobinas de campo tienen el mismo significado que los puntos sobre un transformador: la corriente que fluye hacia dentro de las bobinas por el extremo marcado con un punto produce una fuerza magnetomotriz positiva. Figura 2.15 Deducción de la característica de los terminales para un generador CD serie. Nótese que la corriente del inducido fluye hacia dentro por el extremo de la bobina de campo serie marcado con un punto y que la corriente del campo en 62

72 2. Fuentes de corriente directa derivación I F fluye hacia dentro por el extremo de la bobina de campo en derivación marcado con un punto. Entonces, la fuerza magnetomotriz total de esta máquina está dada por: Donde es la fuerza magnetomotriz del campo en derivación, es la fuerza magnetomotriz del campo serie y es la fuerza magnetomotriz de la reacción del inducido. Figura 2.16 Circuito equivalente de un generador CD compuesto acumulativo con conexión en derivación larga. Las otras relaciones de voltaje y corriente para este generador son: Otra forma de acoplar un generador compuesto acumulativo es la conexión en derivación corta, donde el campo serie está fuera del circuito de campo en derivación y tiene una corriente I L que fluye a través de él, en lugar de I A. En la figura 2.17 se muestra un generador CD compuesto acumulativo en derivación corta. 63

73 2. Fuentes de corriente directa CARACTERÍSTICA DE LOS TERMINALES DE UN GENERADOR CD COMPUESTO ACUMULATIVO. Para entender la característica de los terminales de un generador CD compuesto acumulativo, es necesario comprender los efectos que actúan dentro de la máquina. Figura 2.17 Circuito equivalente de un generador CD compuesto acumulativo conectado en derivación corta. Si aumenta la carga sobre el generador, entonces la corriente de carga I L aumenta. Puesto que I A = I F +I L, la corriente del inducido I A también aumenta. En este punto, ocurren dos efectos en el generador: 1. Como se eleva I A, la caída de voltaje I A (R A +R S ) aumenta. Esto tiene a causar una disminución en el voltaje en los terminales V T = E A -I A (R A +R S ). 2. Cuando aumenta I A, la fuerza magnetomotriz del campo serie SE = N SE I A aumenta. Esto incrementa la fuerza magnetomotriz total TOT = N F I F +N SE I A, la cual aumenta el flujo en el generador. El incremento del flujo en el generador eleva E A, que a su vez tiende a hacer que V T =E A -I A (R A +R S ) aumente. Estos dos efectos se oponen entre si pues el uno tiende a aumentar V T y el otro, a disminuirlo. Cuál efecto predomina en una máquina dada? Todo depende de cuantas vuelta en serie tengan los polos de la máquina. La pregunta puede ser respondida tomando varios casos individuales: 1. Pocas espiras en serie (N SE pequeño). Si hay solo unas pocas espiras en serie, prima el efecto de la caída resistiva de voltaje. El voltaje cae como en un generador en derivación, pero no en forma tan abrupta. Este 64

74 2. Fuentes de corriente directa tipo de construcción, donde el voltaje en los terminales a plena carga es menor que el de vacío, se llama hipocompuesto o compuesto parcial. 2. Más espiras en serie (N SE mayor). Si hay mayor cantidad de espiras de alambre en serie sobre los polos, al comienzo prima el efecto de fortalecimiento del flujo y el voltaje en los terminales aumenta con la carga. Sin embargo, cuando la carga continua aumentando, se crea saturación magnética y la caída resistiva es más fuerte que el efecto de aumento del flujo. En tal máquina, el voltaje en los terminales aumenta primero y luego cae, cuando la carga aumenta. Si V T en vacío es igual a V T a plena carga, el generador se denomina generador compuesto plano. 3. Se añaden aún más espiras en serie (N SE grande). Si se añaden aún más espiras en serie al generador, el efecto del fortalecimiento del flujo predomina un tiempo más prolongado antes de que prime la caída resistiva. El resultado es una característica cuyo voltaje en los terminales a plena carga supera el correspondiente en vacío. Si V T a plena carga excede a V T en vacío, el generador se denomina generador hipercompuesto. Todas estas posibilidades se ilustran en la figura Figura 2.18 Característica en terminales de generadores CD compuestos acumulativos. También es posible reunir todas estas características de voltaje en un solo generador si se utiliza una resistencia de desviación. La figura 2.19 muestra un generador CD compuesto acumulativo con un número relativamente grande de espiras en serie N SE y una resistencia de desviación conectada alrededor del 65

75 2. Fuentes de corriente directa campo serie. Si la resistencia R div se ajusta a un valor grande, la mayoría de la corriente del inducido fluye a través de la bobina campo serie, y el generador es hipercompuesto. Si la resistencia R div se ajusta a un valor pequeño, la mayoría de la corriente fluye por fuera de la bobina de campo serie, a través de R div y el generador es hipocompuesto. Se puede ajustar uniformemente con la resistencia para obtener la cantidad de compuesto deseada. Figura 2.19 Generador CD compuesto acumulativo con resistencia de desviación. CONTROL DE VOLTAJE EN GENERADORES CD COMPUESTO ACUMULATIVOS. Las técnicas disponibles para controlar un generador CD compuesto acumulativo son las mismas que se utilizan para controlar el voltaje de los generadores CD en derivación: 1. Cambio de la velocidad de rotación. Un aumento en ω causa que E A = Kφω aumente, incrementándose el voltaje en los terminales V T = E A -I A (R A +R S ). 2. Cambio en la corriente de campo. Una disminución en R F causa que I F =V T /R F aumente, lo que incrementa la fuerza magnetomotriz total en el generador. Como tot aumenta, el flujo φ en la máquina aumenta y E A = Kφω se eleva. Finalmente, un aumento en E A eleva V T. ANÁLISIS DE LOS GENERADORES CD COMPUESTOS 66

76 2. Fuentes de corriente directa ACUMULATIVOS. Las ecuaciones 2.15 y 2.16 son la clave para describir las características en terminales de un generador CD compuesto acumulativo. La corriente equivalente del campo en derivación I eq, debida a los efectos del campo serie y de la reacción del inducido, está dada por: Por tanto, la corriente efectiva de campo en derivación de la máquina es: La caída resistiva en el generador está dada por I A (R A +R S ). La corriente equivalente y la caída resistiva de voltaje I A (R A +R S ) dependen de la potencia de corriente del inducido I A. Son los dos lados de un triángulo cuyo tamaño es función de I A. Para encontrar el voltaje de salida para una carga dada, se determina el tamaño del triángulo y se halla un punto donde el triángulo encaja exactamente entre la línea de corriente de campo y la curva de magnetización. Esta idea se ilustra en la figura Figura 2.20 Análisis gráfico de un generador CD compuesto acumulativo. El voltaje en los terminales, en condiciones de vacío, será el punto en el cual se intersecan la línea de resistencia y la curva de magnetización. Cuando se adiciona carga al generador, aumenta la fuerza magnetomotriz del campo serie 67

77 2. Fuentes de corriente directa y se elevan, la corriente equivalente del campo en derivación resistiva del voltaje I A (R A +R S ) en la máquina. y la caída Para encontrar el valor del nuevo voltaje de salida en el generador, es preciso, deslizar el borde izquierdo del triángulo resultante a lo largo de la línea de corriente de campo en derivación hasta que el vértice superior del triángulo toque la curva de magnetización. El vértice superior del triángulo representa el voltaje interno generado de la máquina, mientras que la línea inferior representa el voltaje en terminales de la máquina Generador CD compuesto diferencial. Un generador CD compuesto diferencial es un generador con dos campos, el campo en derivación y el campo en serie, pero sus fuerzas magnetomotrices se restan entre sí. En la figura 2.21 se muestra el circuito equivalente de un generador CD compuesto diferencial. Nótese que la corriente del inducido está fluyendo hacia fuera de una bobina con el extremo marcado con un punto, mientras que la corriente de campo en derivación está fluyendo hacia dentro por el extremo de la bobina marcado con un punto. En esta máquina la fuerza magnetomotriz neta es: Y la corriente equivalente de campo en derivación debida al campo serie y la reacción del inducido está dada por: La corriente total efectiva de campo en derivación en esta máquina es: 68

78 2. Fuentes de corriente directa Figura 2.21 Circuito equivalente de un generador CD compuesto diferencial con conexión en derivación larga. Como el generador compuesto acumulativo, el generador compuesto diferencial puede ser conectado en derivación larga o en derivación corta. CARACTERÍSTICA DE LOS TERMINALES DE UN GENERADOR CD COMPUESTO DIFERENCIAL. En el generador CD compuesto diferencial ocurren los mismos efectos que se presentaron en el generador CD compuesto acumulativo. Esta vez, sin embargo, ambos efectos actúan en la misma dirección. Ellos son: 1. Cuando aumenta I A, aumenta también la caída de voltaje I A (R A +R S ). Este aumento tiende a causar una disminución en el voltaje en los terminales V T = E A -I A (R A +R S ). 2. Cuando incrementa I A, la fuerza magnetomotriz del campo serie SE = N SE I A también aumenta. Este aumento en la fuerza magnetomotriz del campo serie reduce la fuerza magnetomotriz neta del generador ( tot = N F I F -N SE I A ) que a su vez, reduce el flujo neto en el generador. Una disminución de flujo disminuye a E A, lo cual también, disminuye a V T. Puesto que ambos efectos tienden a disminuir a V T, el voltaje cae drásticamente cuando aumenta la carga en el generador. En la figura 2.22 se muestra una característica de los terminales típica para un generador CD 69

79 2. Fuentes de corriente directa compuesto diferencial. CONTROL DE VOLTAJE DE GENERADORES CD COMPUESTOS DIFERENCIALES. Aunque las características de caída de voltaje en un generador CD compuesto diferencial son bastante malas, es posible ajustar el voltaje en los terminales para una carga dada. Las técnicas disponibles para ajustar el voltaje en los terminales son las mismas empleadas en los generadores CD en derivación y compuestos acumulativos: Figura 2.22 Característica de los terminales de un generador CD compuesto diferencial. 1. Cambio de la velocidad de rotación ω m. 2. Cambio de la corriente de campo I F. ANÁLISIS GRÁFICO DE UN GENERADOR CD COMPUESTO DIFERENCIAL. El voltaje característico de un generador CD compuesto diferencial es determinado gráficamente de la misma forma utilizada para el generador CD compuesto acumulativo. Para encontrar la característica de los terminales de la máquina, vea la figura La corriente efectiva de campo remanente está dada por I eq, y es la suma de los efectos del campo serie y de la reacción del inducido. Esta corriente equivalente I eq, representa una distancia negativa horizontal a lo largo del eje 70

80 2. Fuentes de corriente directa de la curva de magnetización, puesto que ambos, el campo serie y la reacción del inducido, son sustractivos. La caída resistiva en el generador está dada por I A (R A +R S ), la cual representa una distancia a lo largo del eje vertical de la curva de magnetización. Para encontrar el voltaje de salida para una carga dada, se determina el tamaño del triángulo, formado por la caída de voltaje resistiva e I eq y se halla un punto en donde el triángulo encaja exactamente entre la línea de corriente de campo y la curva de magnetización. Figura 2.23 Análisis gráfico de un generador CD compuesto diferencial. La figura 2.24 muestra el proceso, repetido varias veces, para construir una característica completa de los terminales para el generador. Figura 2.24 Deducción grafica de loa característica de los terminales de un generador CD compuesto diferencial. 71

81 2. Fuentes de corriente directa 2.2 Rectificadores polifásicos de potencia. La electrónica desarrolla en la actualidad una gran variedad de tareas. Los principales usos de los circuitos electrónicos son: el control, el procesado, la distribución de información así como la conversión y distribución de la energía eléctrica. Estos dos usos implican la creación o detección de campos electromagnéticos y corrientes eléctricas. Entonces se puede decir que la electrónica abarca en general las áreas de electrónica de control, telecomunicaciones y electrónica de potencia. Se denomina electrónica de potencia a la rama de la ingeniería eléctrica que consigue adaptar y transformar la electricidad, con la finalidad de alimentar otros equipos, transportar energía, controlar el funcionamiento de las máquinas eléctricas, etc. Se refiere a la aplicación de dispositivos electrónicos (principalmente semiconductores) al control y transformación de potencia eléctrica. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control como de suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión de sistemas eléctricos de potencia. El principal objetivo de la electrónica de potencia es el procesamiento de energía con la máxima eficiencia posible, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos o potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off). La conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos. Dichos dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores estáticos de potencia, clasificados en: Rectificadores. Convierten corriente alterna en corriente directa. Inversores. Convierten corriente directa en corriente alterna. 72

82 2. Fuentes de corriente directa Cicloconversores. Convierten corriente alterna en corriente alterna, utilizado para variar la frecuencia. En electrónica de potencia, se puede ver en los variadores de velocidad. Choppers. Convierten corriente directa en corriente directa. Se observan en generadores de pulsos. Las principales aplicaciones de los convertidores electrónicos de potencia son las siguientes: Fuentes de alimentación: en la actualidad han cobrado gran importancia un subtipo de fuentes de alimentación electrónicas, denominadas fuentes de alimentación conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su elevado rendimiento y reducción de volumen necesario. El ejemplo más claro de aplicación se encuentra en la fuente de alimentación de los ordenadores. Control de motores eléctricos: la utilización de convertidores electrónicos permite controlar parámetros tales como la posición, velocidad o par suministrado por un motor. Este tipo de control se utilizad en los sistemas de aire acondicionado. Calentamiento por inducción: consiste en el calentamiento de un material conductor a través del campo generado por un inductor. La alimentación del inductor se hace a alta frecuencia generalmente en el rango de los KHz de manera que se hacen necesarios convertidores electrónicos de frecuencia Rectificadores polifásicos. Se llama rectificador a todo dispositivo eléctrico que solo permite el paso de la corriente en un sentido. Figura 2.25 Diodo PN. 73

83 2. Fuentes de corriente directa En la figura se muestran los símbolos utilizados para representar un diodo PN. La zona P, donde va la flecha se llama ánodo, y la zona N, cátodo. Un diodo posee elevada conductividad cuando el polo negativo de la fuente de tensión se conecta a su cátodo y el polo positivo de la misma a su ánodo. Entonces se cierra el circuito desde el polo negativo al positivo a través del cátodo, del ánodo y de la carga. Figura 2.26 RECTIFICADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA NO CONTROLADO. Los rectificadores trifásicos se utilizan normalmente en la industria para producir tensión y corriente directa para grandes cargas. En la siguiente figura se muestra el rectificador trifásico en puente completo. El generador trifásico de tensión está equilibrado y la secuencia de fases es a-b-c. Figura 2.27 Rectificador trifásico. Puente trifásico. Análisis y descripción del rectificador trifásico. La ley de Kirchhoff para las tensiones aplicadas al circuito, muestra que solo puede conducir un diodo a la vez en la mitad superior del puente (D1, D2 O D3). El diodo en estado de conducción tendrá su ánodo conectado a la tensión de fase de mayor valor en ese instante. 74

84 2. Fuentes de corriente directa La ley de Kirchhoff para las tensiones también muestra que solo puede conducir un diodo a la vez en la mitad inferior del puente (D4, D5 o D6). El diodo en estado de conducción tendrá su cátodo conectado a la tensión de fase de menor valor en ese instante. D1 y D4, no podrán conducir al mismo tiempo como consecuencia de las observaciones 1 y 2. De la misma manera, tampoco podrán conducir simultáneamente D2 y D5, ni D3 y D6. La tensión de salida en la carga es una de las tensiones de línea del generador. Por ejemplo, cuando D1 y D5 conducen la tensión de salida es vab (van vbn). Además la tensión de línea de mayor valor instantáneo determinara los diodos que estarán en conducción. Existen seis combinaciones de tensiones de línea (tres fases combinadas de dos en dos). Si consideramos que un periodo del generador son 360º, la transición de la tensión de línea de mayor valor deberá producirse cada 360º/6=60º. El circuito se denomina rectificador de seis pulsos debido a las seis transiciones que se producen en cada periodo de la tensión del generador. La pulsación fundamental de la tensión de salida es 6ω, donde ω es la pulsación del generador trifásico. Con la unión de ambas partes, conseguimos que durante todo el tiempo se conecte el mayor de las tres tensiones a uno de los terminales de la carga y al otro terminal el menor de dichas tensiones. Figura 2.28 La parte superior es de la forma de onda del grupo tipo P y la inferior del tipo N. 75

85 2. Fuentes de corriente directa La tensión en la carga puede considerarse como la suma de las tensiones de dos rectificadores de media onda trifásicos, con relación al neutro n. RECTIFICADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA SEMI- CONTROLADO. Los rectificadores semi controlados trifásicos se utilizan en aplicaciones industriales hasta el nivel de 120 KW., en lo que se requiere una operación en cuadrante. Conforme aumenta el ángulo de retraso se reduce el factor de potencia de este convertidor, aunque es mejor que el de los convertidores trifásicos de media onda. En la figura 2.29 se muestra un semi convertidor trifásico. Se coloca una carga altamente inductiva; la corriente de carga se supone continua y libre de componentes ondulatorias. La frecuencia de voltaje de salida para este montaje es 3 fs. El ángulo de retraso a se puede variar desde 0 hasta p. Figura 2.29 Puente rectificador trifásico semi controlado. Durante el periodo (p/6) vt (7p/6), el tiristor T1 tiene polarización directa o positiva. Cuando este se dispara en vt= (p/6+a), hasta vt = (7p/6) T1 y D1 conducen y el voltaje de línea vca aparecerá a través de la carga. En vt = (p/6), el voltaje vca es negativo y el diodo de marcha libre Dm tiene polarización directa, entrando en conducción. La corriente de carga circula ahora a través de Dm, pasando T1 y D1 al estado de desactivación. Si no existe un diodo de marcha libre, T1 continua 76

86 2. Fuentes de corriente directa conduciendo hasta que el tiristor T2 se dispara vt = (5p/6+a), hasta vt = (11p/6), circulando entonces la corriente de carga por T2-D2. El factor de potencia del rectificador semi controlado es superior al valor que se obtiene para el totalmente controlado y por esa razón es más útil para el control de motores. RECTIFICADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA TOTALMENTE CONTROLADO. Este tipo de rectificador permite variar el voltaje promedio de salida, empleando para su funcionamiento tiristores de potencia con los cuales se puede variar el ángulo de disparo y por ende la potencia entregada a la carga. Los tiristores se disparan a un intervalo de π/3. La frecuencia del rizo de voltaje en la salida es seis veces la frecuencia de la fuente de entrada (6fs), y el filtrado resulta menos complejo en comparación con el de los convertidores de media onda ya que este presenta menos rizo en el voltaje de salida. Para cada periodo de la tensión de alimentación, el circuito de disparo ha de suministrar 6 impulsos de control, distanciados 60º en el tiempo. Estos impulsos de control tienen una duración de 180º, contado desde el punto de conmutación natural. Figura 2.30 Puente rectificador trifásico controlado. 77

87 2. Fuentes de corriente directa La tensión de las fases del secundario se encuentra en 3 fases desfasadas 120º entre si y las tensiones de línea 6 fases desfasadas 60º entre sí. El orden de conducción de los tiristores es: T1-T6, T6-T2, T2-T4, T4-T3, T3-T5 y T5-T1. RECTIFICADOR TRIFÁSICO DE DOCE PULSOS. Un puente trifásico produce un voltaje de salida de seis pulsos. Para aplicaciones con grandes potencias, como por ejemplo transmisión de CD de alto voltaje (HVCD), y para impulsores de CD para motores, se requiere en general una salida de 12 pulsos para reducir los rizos en la salida, y para aumentar las frecuencias de los mismos. Se pueden combinar dos puentes de 6 pulsos, sea en serie o en paralelo, para producir una salida con 12 pulsos efectivos. Para un circuito convertidor se puede obtener un desplazamiento de fase de 30 entre los devanados secundarios, conectando un secundario en estrella (Y) y el otro en delta (Δ). Con este rectificador se puede llevar a cabo una reducción mayor de armónicos de salida, que en un rectificador de 6 pulsos. Mediante una conexión en serie la tensión total de salida es la suma de las salidas de los dos puentes de 6 pulsos. Los ángulos de disparo de los puentes suelen ser iguales. Entre las ventajas que presenta el rectificador de 12 pulsos con respecto al convertidor de 6 pulsos tenemos: Tiene un total de 12 transiciones para cada periodo del generador de alterna, dado que se produce una transición entre los tiristores en conducción cada 30º. La salida presenta frecuencias armónicas que son múltiplos de 12 veces la frecuencia del generador (12k, k = 1, 2, 3 ). El filtrado necesario para generar una salida de corriente continua, relativamente pura, es menos costoso que el necesario para el rectificador de 6 pulsos. 78

88 2. Fuentes de corriente directa Figura 2.31 Circuito y formas de onda de un rectificador trifásico de doce pulsos. 79

89 3. Motores de corriente directa 3. MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA. Los motores de corriente directa son máquinas CD utilizadas como motores. La misma máquina física puede operar como motor o generador, dependiendo de la dirección del flujo de potencia a través de ella. 3.1 Introducción a los motores CD. Los primeros sistemas de potencia en los Estados Unidos fueron sistemas CD pero, hacia 1890, los sistemas de CA fueron primando sobre los sistemas CD. A pesar de esto, los motores CD continuaron siendo una fracción importante de la maquinaria comprada cada año hasta los años de Los sistemas de potencia CD son comunes aun en automóviles, camiones y aviones. Cuando un vehículo tiene un sistema de potencia CD, tiene sentido considerar el uso de los motores CD. Los motores de CD también se aplicaban cuando se requerían amplias variaciones de velocidad, antes de la amplia difusión del uso de inversores rectificadores de potencia electrónicos. Hoy en día se prefieren los motores de inducción con grupos de controladores de estado sólido para la mayoría de las aplicaciones de control de velocidad. Sin embargo, todavía hay aplicaciones donde se prefieren los motores CD. Los motores CD se comparan frecuentemente por sus reguladores de velocidad. La regulación de velocidad (SR) de un motor se define como: Es una medida aproximada de la forma de la característica par-velocidad de un motor; una SR positiva significa que la velocidad del motor disminuye con el aumento de carga y una SR negativa significa que la velocidad aumenta cuando aumenta la carga. 80

90 3. Motores de corriente directa Figura 3.1 Uno de los primeros motores CD, construido por Elihu Thompson en Su capacidad era de ½ hp. La magnitud de la regulación de velocidad dice, aproximadamente, que tan empinada es la pendiente de la curva par-velocidad. Los motores CD son accionados por una fuente de potencia CD. A menos que se especifique otra cosa, se supone que el voltaje de entrada es constante, esta suposición simplifica el análisis de los motores y la comparación entre los diferentes tipos de ellos. Hay cinco clases principales de motores CD de uso general: 1. Motor CD de excitación separada. 2. Motor CD con excitación en derivación. 3. Motor CD de imán permanente. 4. Motor CD serie. 5. Motor CD compuesto. 3.2 Circuito equivalente del motor CD. En la figura 3.2 se muestra el circuito equivalente de un motor CD. En esta figura, el circuito del inducido está representado por una fuente ideal de voltaje E A y una resistencia R A. Esta representación es el equivalente de Thevenin de la estructura total del rotor, incluidos las bobinas del rotor, los interpolos y los devanados de compensación, si los hay. La caída de voltaje en la escobilla está representada por una pequeña batería 81

91 3. Motores de corriente directa V es opuesta en dirección al flujo de la corriente de la máquina. Las bobinas de campo que producen el flujo magnético en el generador están representadas por la inductancia L F y la resistencia R F. La resistencia separada R adj representa una resistencia exterior variable, utilizada para controlar la cantidad de corriente en el circuito de campo. Figura 3.2 a) Circuito equivalente de un motor CD. B) Circuito equivalente simplificado en que se elimina la caída de voltaje en la escobilla y se combina R adj con la resistencia de campo. Existen algunas variantes y simplificaciones de este circuito equivalente básico. Con frecuencia, el voltaje de caída en la escobilla es solo una pequeña fracción del voltaje generado en una máquina. En esos casos en los cuales no es demasiado crítico, el voltaje de caída en la escobilla puede despreciarse o incluirse aproximadamente en el valor de R A, a veces, la resistencia interna de las bobinas de campo también se agrupa con la resistencia variable y a ese total se le llama R F (figura 3.2b). Una tercera variante es aquella en la cual los generadores tienen más de una bobina de campo, todo lo cual aparecerá en el circuito equivalente. El voltaje interno generado en esta máquina está dado por la ecuación: 82

92 3. Motores de corriente directa Y el par inducido desarrollado por la máquina está dado por: Estas dos ecuaciones, la correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff del circuito del inducido y la curva de magnetización de la máquina, son las herramientas necesarias para analizar el comportamiento y el funcionamiento de un motor CD. 3.3 Curvas de magnetización de una máquina CD. El voltaje interno generado E A de un motor o generador CD está dado por la ecuación: En consecuencia, E A, es directamente proporcional al flujo en la máquina y a la velocidad de rotación de ella. La corriente de campo en una máquina CD produce una fuerza magnetomotriz de campo dada por = N F I F, la cual produce un flujo en la máquina de acuerdo con la curva de magnetización (figura 3.3). Figura 3.3 Curva de magnetización de un materia ferromagnético (φ contra Ϝ). Puesto que la corriente de campo es directamente proporcional a la fuerza magnetomotriz y E A es directamente proporcional al flujo, es costumbre presentar la curva de magnetización como la gráfica de E A contra la corriente de campo a una velocidad ω dada (figura 3.4). 83

93 3. Motores de corriente directa 3.4 Tipos de motores CD. Figura 3.4 Curva de magnetización de una máquina CD expresada como una gráfica de E A contra I F, a una velocidad ω dada Motores CD con excitación separada y motores CD en derivación. La figura 3.5a muestra el circuito equivalente de un motor CD con excitación separada; la figura 3.5b, el de un motor CD en derivación. Figura 3.5 a) Circuito equivalente de un motor CD con excitación separada. b) Circuito equivalente de un motor CD en derivación. Un motor con excitación separada es un motor cuyo circuito de campo es alimentado por una fuente de potencia separada, de voltaje constante, mientras que un motor CD en derivación es aquel cuyo circuito de campo obtiene su 84

94 3. Motores de corriente directa potencia directamente de los terminales del inducido del motor. Si se supone que el voltaje de alimentación al motor es constante, no hay casi diferencia de comportamiento entre estas dos máquinas. Siempre que se describe el comportamiento de un motor en derivación, también se incluye el motor de excitación separada. La ecuación correspondiente a la ley de Kirchhoff para el circuito del inducido de estos motores es: CARACTERÍSTICA DE LOS TERMINALES DE UN MOTOR CD EN DERIVACIÓN. En un motor, las cantidades de salida son el par al eje y la velocidad; por tanto, su característica de los terminales es una gráfica del par contra la velocidad en su salida. Cómo responde un motor CD en derivación a una carga? Suponer que aumenta la carga en el eje del motor; entonces el par de carga τ carga excederá al par inducido τ ind en la máquina, y el motor comenzara a reducir la velocidad. Cuando el motor se frena, su voltaje interno generado disminuye (E A =Kφω) y la corriente del inducido del motor I A = V T -E A /R A aumenta. Cuando aumenta la corriente del inducido, aumenta el par inducido τ ind =KφI A y finalmente, el par inducido igualara al de carga a una velocidad mecánica de rotación ω más baja. La característica de salida de un motor CD en derivación se puede deducir de las ecuaciones del voltaje inducido y del par del motor, junto con la ecuación correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff. Esta última ecuación, aplicada al motor en derivación es: El voltaje inducido E A =Kφω tal que: 85

95 3. Motores de corriente directa Puesto que τ ind =KφI A, la corriente I A puede ser expresada como: Combinando las ecuaciones 3.8 y 3.9 se obtiene: Finalmente, despejando la velocidad del motor se obtiene: Esta ecuación representa justamente una línea recta con pendiente negativa. La característica resultante par-velocidad de un motor CD en derivación se muestra en la figura 3.6a. Figura 3.6 a) Característica par-velocidad de un motor CD en derivación o de un motor CD con excitación separada, y devanados de compensación para eliminar la reacción del inducido. b) Característica par-velocidad del motor, con reacción del inducido presente. 86

96 3. Motores de corriente directa Es importante tener en cuenta que, para una variación lineal de la velocidad del motor con respecto al par, los otros términos de esta expresión deben permanecer constantes cuando cambia la carga. Se supone que el voltaje en los terminales, suministrado por la fuente de potencia CD, es constante; si no es constante, las variaciones de voltaje afectaran la forma de la curva parvelocidad. La reacción del inducido es otro efecto interno del motor que también puede afectar la forma de la curva par-velocidad. Si un motor presenta reacción del inducido, el efecto de debilitamiento del flujo reduce el flujo en la máquina a medida que aumenta la carga. La reducción del flujo aumenta la velocidad del motor, a cualquier carga dada. La figura 3.6b muestra la característica de par-velocidad de un motor en derivación con reacción del inducido. Si un motor tiene devanados de compensación, es claro que no se presentaran los problemas de debilitamiento del flujo en la máquina y éste será constante. Si un motor CD en derivación tiene devanados de compensación tal que su flujo es constante, independientemente de la carga, y si se conocen la velocidad y la corriente del inducido del motor, para cualquier valor de la carga, es posible calcular su velocidad para cualquier otro valor de esta, mientras se conozca o pueda determinarse la corriente del inducido. ANÁLISIS NO LINEAL DE UN MOTOR CD EN DERIVACIÓN. El flujo φ y el voltaje interno generado E A de una máquina CD es una función no lineal de su fuerza magnetomotriz. Entonces, cualquier fenómeno que altere la fuerza magnetomotriz en la máquina tendrá un efecto no lineal en el voltaje interno generado de ella. E A no se puede calcular analíticamente, debe utilizarse la curva de magnetización de la máquina, para determinar con aproximación su E A para una fuerza magnetomotriz dada. Los dos elementos principales que ayudan a formar la fuerza magnetomotriz de 87

97 3. Motores de corriente directa la máquina son la corriente de campo y la reacción del inducido. La curva de magnetización es una gráfica de E A contra I F para una velocidad ω dada. Si una máquina presenta reacción del inducido, su flujo se reducirá a medida que aumenta la carga. En un motor CD en derivación, la fuerza magnetomotriz total es igual a la fuerza magnetomotriz del circuito de campo menos la fuerza magnetomotriz debida a la reacción del inducido (AR): Una corriente equivalente de campo produciría el mismo voltaje de salida que la combinación de todas las fuerzas magnetomotrices en la máquina. El voltaje resultante E A puede ser determinado localizando esa corriente equivalente en la curva de magnetización. En un motor CD en derivación la corriente equivalente de campo está dada por: En una máquina, las curvas de magnetización se dibujan para una velocidad particular, usualmente la velocidad nominal de la máquina. En una máquina CD, cuando la velocidad se expresa en rev/min, la ecuación para el voltaje inducido es: El voltaje interno generado está relacionado con la velocidad por: Donde y representan los valores de referencia, del voltaje y de la velocidad respectivamente. Si se conocen las condiciones de referencia de la curva de magnetización y el valor real de por la ley de voltajes de Kirchhoff, entonces, es posible determinar la velocidad actual n. Para cualquier carga dada, la velocidad del motor con reacción del inducido es 88

98 3. Motores de corriente directa mayor que la del motor sin reacción del inducido. CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES CD EN DERIVACIÓN. Las dos formas más comunes utilizadas para controlar la velocidad de una máquina CD en derivación son: A. Ajustando la resistencia de campo R F y por tanto el flujo del campo. B. Ajustando el voltaje en los terminales, aplicado al inducido. C. El método menos común de control de velocidad es: Insertando una resistencia en serie con el circuito del inducido. A. Cambio de la resistencia de campo. El comportamiento causa-efecto involucrado en este método de control de velocidad, tiene las siguientes características: 1. El aumento de R F causa una disminución de I F (=V T /R F ). 2. Ante la disminución de I F, disminuye φ. 3. La disminución de φ baja E A (=Kφω). 4. La disminución de E A aumenta I A (=V T E A )/R A. 5. El aumento de I A incrementa τ ind (=KφI A ). 6. El aumento de τ ind hace a τ ind >τ carga, y la velocidad ω aumenta. 7. El aumento de ω aumenta otra vez E A =Kφω. 8. El aumento de E A disminuye I A. 9. La disminución de I A reduce τ ind hasta que τ ind =τ carga a una velocidad mayor ω. El efecto de aumentar la resistencia de campo sobre la característica de salida de un motor en derivación se muestra en la figura 3.7a. B. Cambio de voltaje del inducido. El comportamiento causa-efecto en este método de control de velocidad, cuenta con las siguientes características: 1. Un aumento de V A eleva I A = (V A -E A )/R A. 2. El aumento de I A incrementa τ ind (=KφI A ). 3. El aumento de τ ind hace que τ ind > τ carga y aumenta ω. 89

99 3. Motores de corriente directa 4. El aumento de ω incrementa a E A (=Kφω). 5. El aumento de E A hace que disminuya I A = (V A -E A )/R A. 6. La disminución de I A reduce a τ ind hasta que τ ind = τ carga a una mayor velocidad ω. En la figura 3.8 se muestra el efecto de un aumento en E A sobre la característica par-velocidad de un motor con excitación separada. Nótese que en este método de control, varia la velocidad vacío del motor, pero la pendiente de la curva permanece. Estas dos técnicas de control de velocidad son complementarias. El control de voltaje del inducido funciona bien para velocidades inferiores a la nominal; la resistencia de campo o control de corriente de campo, funciona bien para velocidad por encima de la nominal. Figura 3.7 Efecto del control de velocidad por resistencia de campo sobre la característica par-velocidad de un motor CD en derivación: a) en el rango de operación normal del motor; b) en el rango completo desde la condición de vacío hasta la condición de rotor frenado. Combinando las dos técnicas de control en el mismo motor, es posible obtener 90

100 3. Motores de corriente directa un rango de variación de velocidad de hasta 40 a 1 o más. Los motores CD en derivación y de excitación separada tienen excelentes características de control de velocidad. Figura 3.8 Efecto de control de velocidad por voltaje del inducido sobre la característica parvelocidad de un motor CD en derivación Motor CD de imán permanente. Un motor CD de imán permanente (PMCD) es un motor CD cuyos polos están hechos de imanes permanentes. En algunas aplicaciones, los motores de imán permanente ofrecen muchos más beneficios que los motores CD en derivación. Puesto que estos motores no requieren circuito de campo externo, no tienen las perdidas en el cobre del circuito de campo asociadas con los motores CD en derivación. Debido a que no se requieren devanados de campo, estos motores pueden ser más pequeños que los correspondientes motores CD en derivación. Los motores PMCD son muy comunes en tamaños pequeños de caballaje fraccional y subfraccional, en los cuales no puede justificarse el costo y espacio de un circuito separado de campo. Sin embargo, los motores PMCD tienen algunas desventajas porque los imanes permanentes no pueden producir tan alta densidad de flujo como la de un campo externo en derivación. En consecuencia, el motor PMCD tendrá un par inducido τ ind menor que el de un motor en derivación del mismo tamaño y construcción. Además los motores PMCD corren el riesgo de la desmagnetización. En una máquina PMCD, el 91

101 3. Motores de corriente directa flujo polar es justamente el residual en los imanes permanentes. Si la corriente del inducido llega a ser muy grande, se corre el riesgo de que la fuerza magnetomotriz del inducido, desmagnetice los polos, reduciendo y reorientando permanentemente el flujo residual en ellos. La desmagnetización también pude ser causada por calentamiento excesivo, el cual puede ocurrir durante periodos prolongados de sobrecarga. La figura 3.9 muestra una curva de magnetización para un material ferromagnético típico. Es un dibujo de la densidad del flujo B contra la intensidad de campo magnético H (o lo que es igual, un dibujo del flujo de campo φ contra la fuerza magnetomotriz ). Figura 3.9 Curva de magnetización de un material ferromagnético típico. Nótese el lazo de histéresis. Después que se aplica una gran intensidad de campo magnetizante H al núcleo y luego es removida, una densidad de flujo residual B res permanece en el núcleo. Este flujo puede ser llevado a cero si se aplica al núcleo una intensidad de campo magnetizante coercitiva H c de polaridad opuesta. En este caso, un valor relativamente pequeño de ella desmagnetizara al núcleo. Cuando se aplica a este material una fuerza magnetomotriz externa fuerte y luego se quita, un flujo residual B res permanecerá en el material. Para que el flujo residual sea cero, es necesario aplicar una intensidad magnetizante coercitiva H c con una polaridad opuesta a la polaridad de la intensidad magnetizante H que originalmente estableció el campo magnético. Para aplicaciones comunes en máquinas como rotores y estatores, deberá 92

102 3. Motores de corriente directa escogerse un material ferromagnético que tenga tan pequeña B res y H c como sea posible, ya que este material tendrá bajas perdidas por histéresis. Por otra parte, un buen material para fabricar los polos de un motor PMCD deberá tener tanto la mayor densidad del flujo residual B res posible como la mayor intensidad magnetizante coercitiva H c posible. La curva de magnetización de este material se muestra en la figura Figura 3.10 Curva de magnetización de un material ferromagnético adecuado para utilizarlo en imanes permanentes. Nótese la alta intensidad de flujo residual B res y la relativamente grande intensidad de campo magnetizante H c. La B res grande produce un gran flujo en la máquina, mientras que H c grande indica que se requeriría una gran corriente para desmagnetizar los polos. En los últimos 40 años se han desarrollado varios materiales magnéticos nuevos con características deseables para fabricar imanes permanentes. Los principales tipos son los materiales ceramicomagnéticos (ferrita) y los materiales magnéticos de tierras raras. La figura 3.11 muestra el segundo cuadrante de las curvas de magnetización de algunos imanes cerámicos y de tierras raras, comparados con la curva de magnetización de una aleación ferromagnética convencional (Alnico 5). Los mejores imanes de tierras raras pueden producir el mismo flujo residual que las mejores aleaciones convencionales ferromagnéticas y ambos son bastante inmunes a los problemas de desmagnetización debidos a la reacción 93

103 3. Motores de corriente directa del inducido. Figura 3.11 Segundo cuadrante de las curvas de magnetización de algunos materiales típicos. Nótese que los imanes de tierras raras combinan un alto flujo residual con una alta intensidad de campo magnetizante coercitiva. Un motor de imán permanente es básicamente la misma máquina CD en derivación, excepto que el flujo de un motor PMCD es fijo. Por tanto, no es posible controlar la velocidad de un motor PMCD variando la corriente o el flujo de campo. Los únicos métodos de control de velocidad disponibles para un motor PMCD son los de control de voltaje del inducido y control de la resistencia del inducido, siendo el primero de éstos el más común y fácil de emplear Motor CD serie. Un motor CD serie es un motor cuyo devanado de campo relativamente consta de unas pocas vueltas conectadas en serie con el circuito del inducido. El circuito equivalente de un motor CD serie, se muestra en la figura En un motor CD serie, la corriente del inducido, la corriente de campo y la corriente de línea son iguales. La ecuación correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff para este motor es: 94

104 3. Motores de corriente directa Figura 3.12 Circuito equivalente de un motor CD serie. PAR INDUCIDO EN UN MOTOR CD SERIE. La característica en terminales de un motor CD serie, es muy diferente de la del motor CD en derivación. El comportamiento básico de un motor CD serie se debe al hecho de que el flujo es directamente proporcional a la corriente del inducido, al menos hasta llegar a la saturación. Cuando se incrementa la carga del motor, también aumenta su flujo. Un aumento de flujo en el motor ocasiona una disminución en su velocidad; el resultado es una caída drástica en la característica de par-velocidad de un motor en serie. En esta máquina, el flujo es directamente proporcional a la corriente del inducido (al menos hasta que el metal se satura). Entonces, el flujo puede estar dado por: Donde c es una constante de proporcionalidad. En esta máquina el par inducido está dado por: El par en el motor es proporcional al cuadrado de la corriente del inducido. Como resultado de esta relación, es fácil observar, que un motor serie produce más par por amperio que cualquier otro motor CD. El motor serie se utiliza en aplicación que requieren pares muy altos. Ejemplos de tales aplicaciones son los motores de arranque en vehículos 95

105 3. Motores de corriente directa automotores, motores de elevadores y motores de tracción en locomotoras. CARACTERÍSTICA EN LOS TERMINALES DE UN MOTOR CD SERIE. Para determinar la característica en los terminales de un motor CD serie, el análisis se basara en la premisa que la curva de magnetización es lineal. Suponer que la curva de magnetización es lineal, implica que el flujo en el motor será dado por la ecuación: Esta ecuación se utilizara para deducir la curva característica par-velocidad del motor serie. La deducción de la característica par-velocidad de un motor serie comienza por aplicar la ley de voltajes de Kirchhoff: La corriente del inducido puede expresarse como: También, E A = Kφω. Sustituyendo estas expresiones en la ecuación 3.16 se obtiene: Si en esta expresión pudiera eliminarse el flujo, el par de un motor se relacionara directamente con su velocidad. Para eliminar el flujo en la expresión, nótese que: Y la ecuación de par inducido se puede escribir de nuevo como: 96

106 3. Motores de corriente directa En consecuencia, el flujo en el motor puede volverse a escribir como: Sustituyendo la ecuación 3.23 en la ecuación 3.20 y resolviendo para la velocidad, la relación par-velocidad resultante es: Nótese que en un motor en serie no saturado, la velocidad del motor varía con el inverso de la raíz cuadrada del par. Esta relación es bastante inusual. Esta característica ideal par-velocidad se dibuja en la figura En esta ecuación se observa de inmediato una desventaja de los motores CD serie. Cuando el par de este motor tiende a cero, su velocidad tiende a infinito. En la práctica, el par nunca puede llegar a cero, debido a que es necesario contrarrestar las perdidas mecánicas en el núcleo. Sin embargo, si no se conecta otra carga al motor, este puede girar con demasiada rapidez y producir un daño severo. Figura 3.13 Característica par-velocidad de un motor CD serie. Nunca descargue por completo un motor serie ni conecte uno de ellos a una carga mediante una correa u otro mecanismo que pudiera romperse. Si ocurriera eso y el motor llegase a quedar sin carga mientras está girando, el 97

107 3. Motores de corriente directa resultado podría ser grave. CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES CD SERIE. A diferencia del motor CD en derivación, hay solo una forma eficiente de variar la velocidad de un motor CD serie: cambiar el voltaje en los terminales del motor. Si se aumenta el voltaje en los terminales del motor, el primer término de la ecuación 3.24 aumenta y resulta una mayor velocidad para cualquier par dado. La velocidad de los motores CD serie puede ser controlada también insertando una resistencia en serie en el circuito del motor, pero esta técnica despilfarra potencia y solo se utiliza en periodos intermitentes durante el arranque de algunos motores. Hasta hace 30 años o más, no había forma conveniente de cambiar V T, de modo que el único método de control de velocidad disponible fue la antieconómica resistencia en serie. Todo eso ha cambiado hoy en día, debido a la introducción de los circuitos de control, basados en los SCR Motor CD compuesto. Un motor CD compuesto es aquel que tiene campo en derivación y campo en serie. Tal motor se muestra en la figura 3.14 Figura 3.14 Circuito equivalente de los motores CD compuestos: a) conexión en derivación larga; b) conexión en derivación corta. 98

108 3. Motores de corriente directa Los puntos que se marcan en las dos bobinas de campo tienen el mismo significado que los marcados en el transformador: la corriente que fluye hacia dentro, por el punto, produce una fuerza magnetomotriz positiva. Si la corriente fluye hacia dentro por los puntos marcado en las dos bobinas de campo, las fuerzas magnetomotrices resultantes se suman para producir una fuerza magnetomotriz total mayor. Esta situación se conoce como composición acumulativa. Si la corriente de una bobina fluye hacia dentro por el punto, mientras que la corriente de la otra bobina de campo sale por el punto, las fuerzas magnetomotrices se restan. En la figura 3.14 los puntos redondos corresponden a la composición acumulativa del motor y los cuadros, a la composición diferencial. La ecuación correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff para un motor compuesto es: La corriente en el motor compuesto está relacionada por: La fuerza magnetomotriz neta y la corriente efectiva del campo en derivación en el motor compuesto están dadas por: Donde el signo positivo en las ecuaciones está asociado a un motor compuesto acumulativo y el signo menos se asocia al motor compuesto diferencial. 99

109 3. Motores de corriente directa CARACTERÍSTICA PAR-VELOCIDAD DE UN MOTOR CD COMPUESTO ACUMULATIVO. En el motor CD compuesto acumulativo hay una componente de flujo que es constante y otra componente que es proporcional a la corriente del inducido (y, por tanto, a su carga). Por consiguiente el motor compuesto acumulativo tiene un par de arranque mayor que un motor en derivación (cuyo flujo es constante), pero menor par de arranque que un motor serie (cuyo flujo total es proporcional a la corriente del inducido). En algún grado, el motor compuesto acumulativo combina las mejores características del motor en derivación y del motor serie. Como en el motor serie, tiene par extra para el arranque; como en un motor CD en derivación, no se desboca en vacío. Con cargas ligeras, el campo serie tiene un efecto muy pequeño de modo que el motor se comporta casi como un motor en derivación. Cuando la carga llega a ser muy grande, el flujo del devanado serie es muy importante y la curva parvelocidad comienza parecerse a la característica del motor serie. La figura 3.15 muestra una comparación de las características par-velocidad de cada uno de los tipos de estas máquinas. Para determinar la curva característica de un motor CD compuesto acumulativo por análisis no lineal, se utiliza una técnica similar a la empleada en los motores CD en derivación y en serie. CARACTERÍSTICA PAR-VELOCIDAD DE UN MOTOR CD COMPUESTO DIFERENCIAL. En un motor CD compuesto diferencial, las fuerzas magnetomotrices del campo en derivación y del campo en serie se restan una de otra. Esto significa que cuando la carga aumenta en el motor I A se incrementa y el flujo en el motor disminuye. Como el flujo disminuye, la velocidad del motor aumenta. Este aumento de velocidad causa otro incremento en la carga, el cual eleva 100

110 3. Motores de corriente directa más a I A, disminuye más el flujo e incrementa de nuevo la velocidad. Como resultado de esto, el motor compuesto diferencial es inestable y tiende a embalarse. Esta inestabilidad es peor que la de un motor en derivación con reacción del inducido. Es tan mala, que un motor compuesto diferencial es inadecuado para cualquier aplicación. Figura 3.15 a) Característica par-velocidad de un motor CD compuesto acumulativo, comparado con los motores serie y en derivación de la misma capacidad a plena carga. B) Característica par-velocidad de un motor CD compuesto acumulativo, comparado con un motor en derivación con la misma velocidad en vacío. Para agravar la situación, es imposible arrancar el motor. En condiciones de arranque la corriente del inducido y la corriente del campo serie son muy grandes. Puesto que el flujo serie se resta del flujo en derivación, el campo serie puede invertir la polaridad magnética de los polos de la máquina. El motor permanecerá típicamente quieto o girara con lentitud en dirección contraria mientras se quema debido a la excesiva corriente del inducido. Cuando va a arrancarse este tipo de motor, su campo serie debe cortocircuitarse de modo que se comporte como un motor común en derivación 101

111 3. Motores de corriente directa durante el periodo de arranque. Debido a los problemas de estabilidad del motor CD compuesto diferencial, no es utilizado intencionalmente casi nunca. La figura 3.16 muestra una característica en terminales, típica de un motor CD compuesto diferencial. CONTROL DE VELOCIDAD EN EL MOTOR CD COMPUESTO ACUMULATIVO. Las técnicas disponibles para controlar la velocidad de un motor CD compuesto acumulativo son iguales a las empleadas en el motor en derivación: 1. Cambio de la resistencia de campo R F. 2. Cambio del voltaje del inducido V A. 3. Cambio de la resistencia del inducido R A. Los argumentos que describen los efectos del cambio en R F o en V A son muy similares a los expuestos para el motor en derivación. En teoría, el motor compuesto diferencial podría ser controlado de manera semejante, pero esto poco importa, puesto que el motor compuesto diferencial casi nunca se utiliza. 3.5 Determinación de la eficiencia. Para calcular la eficiencia de un motor CD, se deben determinar las siguientes perdidas: Figura 3.16 Característica par-velocidad de un motor CD compuesto diferencial. 102

112 3. Motores de corriente directa 1. Perdidas en el cobre. 2. Perdidas por caída en las escobillas. 3. Perdidas mecánicas. 4. Perdidas en el núcleo. 5. Perdidas misceláneas. Las pérdidas en el cobre del motor, equivalen a las pérdidas I 2 R en los circuitos de campo y de inducido del motor. Estas pérdidas se pueden encontrar conociendo las corrientes en la máquina y las dos resistencias. Para determinar la resistencia en el circuito del inducido de una máquina, bloquéese el rotor de modo que no pueda girar y aplíquese un pequeño voltaje CD a los terminales del inducido. Ajústese este voltaje hasta que la corriente que fluye en el inducido sea igual a la corriente nominal del inducido de la máquina. La relación entre el voltaje aplicado y el flujo de corriente resultante del inducido es R A. Cuando se efectúa esta prueba, la corriente debe ser casi igual al valor de plena carga porque R A varia con la temperatura y, al valor de corriente de plena carga, los devanados del inducido estarán cerca de su temperatura normal de operación. La resistencia resultante no será precisa porque: 1. El enfriamiento que ocurre normalmente cuando el motor está girando no se producirá. 2. Puesto que hay un voltaje CA en los conductores del rotor durante la operación normal, estos experimentan alguna cantidad del efecto pelicular, lo cual aumentara más la resistencia del inducido. La resistencia de campo se determinará suministrando el voltaje nominal total de campo al circuito de campo y midiendo la corriente de campo resultante. La resistencia de campo R F es justamente la relación entre el voltaje de campo y la corriente de campo. Las pérdidas por caída en las escobillas se aproximan con frecuencia 103

113 3. Motores de corriente directa agrupándolas con las pérdidas de cobre. Si se tratan por separado, puede determinarse una gráfica del potencial de contacto contra la corriente, según el tipo particular de escobilla que esté utilizándose. Las pérdidas por caída en las escobillas son justamente el producto del voltaje de caída en la escobilla V BD por la corriente del inducido I A. Las pérdidas en el núcleo y las pérdidas mecánicas se determinan en conjunto. Si se deja girar libremente un motor en vacío a la velocidad nominal, entonces no hay potencia de salida de la máquina. Puesto que el motor esta sin carga, I A es muy pequeña y las pérdidas en el cobre del inducido son despreciables. Por tanto, si las pérdidas en el cobre del campo se restan de la potencia de entrada del motor, el remanente de esta, está formado por las pérdidas mecánicas y las pérdidas en el núcleo de la máquina a esa velocidad. Estas pérdidas se llaman perdidas rotacionales en vacío del motor. Mientras la velocidad del motor permanezca aproximadamente igual a la que tenía cuando se midieron las pérdidas, las pérdidas rotacionales en vacío son una buena estimación de las pérdidas mecánicas y las pérdidas en el núcleo, bajo carga en la máquina. 104

114 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. 4. NORMATIVIDAD Y PRUEBAS PARA MÁQUINAS DE CD. 4.1 Resistencia de aislamiento. Una prueba de resistencia del aislamiento mide la resistencia que presenta un material de aislamiento al flujo de corriente que se genera al aplicar un voltaje CD. El potencial CD se aplica normalmente entre los conductores que transportan la corriente y la tierra. Idealmente esta resistencia es infinita, pero en la realidad tiene un valor finito. Esta prueba generalmente se realiza en un producto luego de que se fabrica, instala o repara. También se realiza comúnmente como una prueba de rutina de mantenimiento en productos, tales como motores o generadores, y puede ayudar a predecir si el producto fallará. La prueba de resistencia del aislamiento es una prueba cualitativa, que entrega una indicación de la calidad relativa del sistema de aislamiento de un producto. Esta es una prueba ideal para estudiar, medir y registrar la estabilidad a largo plazo de los materiales de aislamiento a través del tiempo. La ANSI/IEEE recomienda un procedimiento para la medición de la resistencia de aislamiento de los bobinados de la armadura y del campo en máquinas rotatorias de potencias de 1HP, 750 W o mayor, y se aplica a: Máquinas síncronas. Máquinas de inducción. Máquinas de CD (corriente continua). Condensadores síncronos. La norma indica la tensión de CD que se debe aplicar a la prueba de aislamiento (basada en los potencia de la máquina, y durante un minuto) y los valores mínimos aceptables de la resistencia de aislamiento para los bobinados 105

115 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. de las máquinas rotatorias para CA y CD (es decir, la resistencia medida al cabo de un minuto). La tabla 4.1 proporciona las guías para el voltaje de CD. Tabla 4.1 Guías para el voltaje CD en prueba de resistencia de aislamiento. Voltaje (V) del bobinado (V es la tensión entre fases para maquinas trifásicas y monofásicas, y la tensión nominal para máquinas de CD o bobinados de campo) Voltaje que se aplicará en la prueba de aislamiento Las mediciones de resistencia de aislamiento deben ser hechas con todo el equipo externo (cables, capacitores, supresores de disturbios, etc.) desconectados y conectados a tierra debido a que estos objetos pueden influenciar la lectura de la resistencia. Deberá usarse un punto común de tierra. La resistencia de aislamiento mínima, recomendada, después de un minuto y a 40 C, puede ser determinada de la tabla 4.2: < > Guías para el voltaje de CD que será aplicado durante una prueba de resistencia de aislamiento. Tabla 4.2 Resistencia de aislamiento mínima en diversas pruebas. Resistencia mínima, en Mohm, según IEEE KV+1 (donde kv es la tensión nominal de la máquina, media en kilovoltios) 100 Maquina bajo prueba Para bobinados fabricados antes de 1970 Para motores de c.c y estatores AC construidos después de

116 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. 5 Para máquinas de bobinado aleatorio y formado, de tensiones menores a 1 kv. Resistencia de aislamiento recomendada después de 1 minuto y a 40º C. La norma indica que si la resistencia a 1 minuto es mayor a 500 Mohm, entonces el cálculo del IP puede dejarse de lado. Figura 2.1 Medidor de Aislamiento y Continuidad MEGGER Pruebas de resistencia de aislamiento. La medición de resistencia de aislamiento ha sido recomendada y utilizada por más de medio siglo para evaluar la condición de aislamiento eléctrico. Mientras que las mediciones de resistencia de aislamiento individuales pueden ser de dudoso valor, el registro cuidadosamente mantenido de mediciones periódicas, acumulados a lo largo de meses y años de servicio, es de un valor incuestionable como medida de algunos aspectos de la condición del aislamiento eléctrico. El aislamiento eléctrico se degrada con el tiempo debido a las distintas fatigas que se le imponen durante su vida normal de trabajo. El aislamiento está diseñado para resistir esas fatigas por un periodo de años que se considera como la vida de trabajo de ese aislamiento (es decir, décadas). La fatiga anormal puede llevar a un incremento en este proceso natural de envejecimiento que puede acortar severamente la vida de trabajo del aislamiento. Por esta razón es buena práctica realizar pruebas regulares para 107

117 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. identificar si tiene lugar un incremento del envejecimiento y, si es posible, identificar si los efectos son reversibles o no. En su forma más simple, las pruebas de diagnóstico toman la forma de una prueba puntual (spot). La mayoría de los profesionales de mantenimiento eléctrico han hecho pruebas puntuales (spot) cuando se aplica un voltaje al aislamiento y se mide una resistencia (prueba con megohmetro). Pero lamentablemente la información brindada por una sola lectura del megohmetro es poca, aunque es la clase de prueba que se aplica generalmente a los circuitos de bajo voltaje donde el costo de una falla es bajo y el equipo puede reemplazarse fácilmente y sin grandes desembolsos. Pero cuando hablamos de equipos muy costosos, y/o para media o alta tensión, lo que generalmente se recomienda es comparar con las lecturas registradas del megohmetro con otras realizadas anteriormente para poder ver una tendencia y prescribir las acciones correctivas. En marzo del 2000 la directiva de estándares del IEEE (Asociación Internacional de Ingenieros Electrónicos y Eléctricos), aprobó una revisión del standard que ha servido de guía para las medidas de aislamiento en máquinas rotatorias, el ANSI/IEEE ( Práctica recomendada para la medida de resistencia de aislamiento de máquinas rotatorias ). De acuerdo con el IEEE, el standard está dirigido para quienes fabrican, operan, prueban, dan mantenimiento o son responsables para la aceptación de máquinas rotatorias. El standard solicita: la prueba de resistencia de aislamiento y la prueba del índice de polarización (IP), y recomienda que ambas pruebas sean hechas (si es posible) Índice de polarización. Cuando se desea obtener el índice de polarización IP, se realiza la prueba de resistencia durante 10 minutos. El resultado de dividir la lectura de resistencia a 108

118 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. diez minutos entre la lectura de 1 minuto da como valor el IP. El resultado es un número puro y se puede considerar independiente de la temperatura. En general, una relación baja indica poco cambio, consecuentemente aislamiento pobre, mientras que una relación alta indica lo opuesto. Los valores mínimos recomendados para el IP están basados en la clase de los materiales de aislamiento y se aplican a todos los materiales de aislamiento indiferentemente de su aplicación de acuerdo con el IEC : Tabla 4.3 Valores recomendados para el IP. Tipo de aislación VALOR MINIMO DE IP Generalmente los valores de IP son entre 2 a 5. Pero un IP muy alto (mayor de 5) puede estar indicando problemas de resecamiento en el aislamiento y posiblemente, luego de una inspección visual observemos zonas quebradizas en el aislamiento Efectos de la temperatura en las medidas de resistencia. Las variaciones de temperatura pueden tener un efecto crítico en las lecturas de resistencia de aislamiento. La resistencia cae marcadamente con un incremento en la temperatura para el mismo aparato. Cada tipo de material aislante tiene un grado diferente de cambio de resistencia con la temperatura. Se han desarrollado tablas de factores de corrección por temperatura para distintos tipos de aparatos eléctricos y pueden adquirirse del fabricante. A falta de estas, se recomienda que uno desarrolle sus propias tablas de factores de corrección registrando dos valores de resistencia para el mismo equipo a dos temperaturas diferentes. CLASE A 1.5 CLASE B, F o H 2.0 Valores mínimos recomendados para el IP basados en el tipo de aislamiento. En lugar de datos detallados, la regla práctica es que por cada 10 C de 109

119 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. incremento en temperatura, la resistencia se reduce a la mitad; o por cada 10 C de disminución de la temperatura, la resistencia se dobla. 4.2 Método del puente de Wheatstone para medir la resistencia de los bobinados. El método del puente de Wheatstone constituye uno de los métodos más preciso para determinar el valor de una resistencia desconocida. El método consiste en conectar como se muestra en la figura 4.2. Para lo cual se necesita una fuente de alimentación de corriente continua (E), dos resistencias con valores conocidos (R1, R3), un potenciómetro con valor conocido (R4), un galvanómetro y un interruptor (S). La resistencia R2 es la resistencia cuyo valor se desea conocer. Figura 4.2 Método del puente de Wheatstone. Una vez que se tenga conectado el circuito de la figura 4.2, la idea es equilibrar el puente. El puente de Wheatstone está equilibrado cuando no circula corriente por el galvanómetro. Para poder equilibrar el puente debe regularse el potenciómetro R4 convenientemente hasta lograr que no circule corriente por el galvanómetro. Una vez que está equilibrado el puente, o sea no circula ninguna corriente por el galvanómetro, se tiene que: I1=I3 y I2=I4. Además de esto se tiene que los puntos B y D están al mismo potencial, por lo 110

120 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. que: V R1 =V R2 y V R3 =V R4, hasta llegar a obtener la ecuación: 4.3 Resistencia del circuito de armadura. La prueba de la resistencia del circuito de bobinado de armadura, abarca la suma de varios componentes (excepto resistencia de contacto de las escobillas y de las escobillas) conectados de acuerdo con el diagrama del bobinado de la máquina. Esta adición debe ser hecha solamente después que cada componente de la resistencia se ha corregido a una temperatura común. Estos componentes pueden ser medidos según lo siguiente: Método A. Este método es limitado para armaduras con bobinado ondulado incluyendo todos los enrollamientos del rotor de dos polos. Para otros tipos de bobinados o si el tipo de bobinado no se sabe, los métodos B o C deben ser utilizados. Usando este método, la resistencia de la armadura puede ser determinada aplicando un puente de resistencia a través de dos segmentos del conmutador tan cerca como sea posible a un polo. En el caso simple, de los bobinados del rotor de dos polos que tienen un número impar de segmentos, un contacto del puente debe cubrir dos segmentos adyacentes. Método B. Consiste en una conexión conveniente de una resistencia baja que se debe conectar al bobinado del rotor o a cualquier canalización vertical o en los segmentos del conmutador para entrar en contacto con el bobinado del rotor en cada localización de la escobilla. Para un bobinado simple la conexión debe entrar en contacto con un segmento del conmutador por polo. Para un rotor a dos caras el bobinado debe entrar en contacto con dos segmentos adyacentes del conmutador simultáneamente en cada posición de la escobilla. 111

121 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. En caso de que el bobinado del rotor no se conozca, una aproximación cercana a la resistencia del bobinado puede ser lograda conectando como se describió para un bobinado doble o un método C a dos caras puede ser aplicado. La resistencia medida conectando el puente entre los tramos de los terminales de esta conexión que simula las escobillas positivas y negativas se considera como la resistencia del bobinado del rotor. Método C. Este es el método de la caída de voltaje de medir la resistencia de la armadura. La conexión de la escobilla debe ser ensamblada correctamente. El rotor se debe bloquear convenientemente para prevenir la rotación. La conexión de la escobilla se debe utilizar como la conexión actual y los dos componentes potenciales de los terminales se deben aplicar a los segmentos del conmutador aproximadamente uno a cada polo. Estos componentes en los terminales se deben situar en segmentos cerca del centro de la superficie de contacto de la escobilla como sea posible. Los componentes potenciales en los terminales deben ser desplazados y registrar las lecturas para cada polo. La corriente debe ser constante para todas estas mediciones. 4.4 Resistencia de los campos. En las máquinas no compensadas, la resistencia de campo, se puede medir directo en sus terminales. Si el final de la bobina está conectado permanentemente con la escobilla, la conmutación de la resistencia de campo se debe medir entre esta punta y la terminal exterior. En las máquinas que son compensadas, este bobinado se puede interpolar con el bobinado compensado de campo (bobinado del polo). En tales diseños la resistencia combinada de estos dos bobinados debe ser medida. La resistencia de un bobinado de campo serie, se debe medir en las terminales de todos los bobinados distintos. Si el bobinado está conectado permanentemente con uno de los otros bobinados inmóviles y solamente una 112

122 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. conexión distinta entre la unión de los dos bobinados, la resistencia de campo serie se debe medir entre la terminal y esta unión distinta a la conexión. Si se interpola el bobinado de campo serie, o no tiene una conexión distinta entre los bobinados, su resistencia se debe medir conjuntamente con el otro bobinado del estator a los cuales se interconecta. 4.5 Longitud del entrehierro. La medida del entrehierro debe incluir una verificación de la instalación correcta de los polos principales, de la prueba de la deformación posible del rodamiento o del soporte de rodadura, y del montaje apropiado del rotor con respecto al estator. La asimetría del entrehierro del polo de conmutación de campo, puede causar dificultades tales como ondulación del voltaje o sobrecalentamiento excesivo de ecualizadores. Para medir el entrehierro mínimo debajo del centro (aproximadamente) de cada polo principal y de cada polo de campo conmutado, se debe usar una galga conveniente o un calibrador de precisión para determinar el entrehierro por lo menos a los milímetros (0.005 pulgadas) para los motores con caballos de fuerza integral y a los milímetros (0.002 pulgadas) para los motores con caballos de fuerza fraccionario. Todas las medidas se deben hacer entre las superficies del hierro de los polos y el rotor. En la práctica, una punta común en el rotor se selecciona y la punta se gira a cada polo alternadamente mientras que se hacen las medidas. Donde las aberturas no son proporcionales, la uniformidad del entrehierro puede ser determinada comprobando que el rotor gira libremente en la máquina ensamblada con el bobinado con el alambre, espaciado alrededor de la periferia del rotor. Para esta prueba el diámetro del alambre debe ser por lo menos 70 % de la mitad de la diferencia entre la distancia diametral del polo principal y del 113

123 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. diámetro exterior del rotor Vibración. La vibración del motor causada por asimetría mecánica o electromagnética se debe medir usando una fuente inferior de corriente directa tal como un generador. Tales medidas se hacen generalmente sin ninguna carga y a la velocidad especificada usando una balanceadora en la extensión del eje. La frecuencia de vibración se relaciona con la velocidad de la rotación. La figura 4.3 muestra la relación entre la velocidad de rotación a la que va un motor de CD y la compresión que debe resultar a esa velocidad. Figura 4.3 Tabla de compresion para motores CD. Las pruebas se deben realizar con varias cargas sobre el rango de velocidad entero de la máquina incluyendo el control de velocidad por voltaje de la armadura. Para distinguir entre la vibración debido a la ondulación de la corriente y que deriva a la ondulación de ranura o a otros factores, las frecuencias de vibración se deben examinar como la velocidad de rotación va cambiando lentamente. Las medidas axial-dirigidas radialmente y de vibración se deben hacer en el soporte del cojinete de la máquina. Si los soportes del cojinete no son accesibles, las lecturas se deben tomar en el soporte de la cubierta o lo más cerca como sea posible. 114

124 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. 4.7 Normas para fabricación y operación NEMA (National Electrical Manufacturers Association). La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) (Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos) es una asociación industrial estadounidense, creada el 1 de septiembre de 1926 tras la fusión de la Associated Manufacturers of Electrical Supplies (Fabricantes de Suministros Eléctricos Asociados) y la Electric Power Club (Club de Potencia Eléctrica). Su sede principal está en Rosslyn, en Arlington (Virginia), y cuenta con más de 400 miembros asociados. Este organismo es el responsable de numerosos estándares industriales comunes usados en el campo de la electricidad. Entre otros, la NEMA ha establecido una amplia gama de estándares para encapsulados de equipamientos eléctricos, publicados como NEMA Standards Publication 250. Además de su sede en Rosslyn, Virginia, NEMA también tiene oficinas en Beijing y Ciudad de México. El objetivo fundamental de NEMA es promover la competitividad de sus compañías socias, proporcionando servicios de calidad que impactarán positivamente en las normas, regulaciones gubernamentales, y economía de mercado. Una norma de la NEMA define un producto, proceso o procedimiento con referencia a las siguientes características: Nomenclatura Composición Construcción Dimensiones Tolerancias Seguridad Características operacionales Performance 115

125 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. Alcances Prueba Servicio para el cual es diseñado La NEMA establece una clasificación para describir las características de los tipos de motores y generadores desde el punto de vista mecánico, o sea de su construcción, así como desde el punto de vista eléctrico. DISEÑO MECÁNICO. Al hablar de diseño mecánico nos referimos al tipo de construcción que posee el motor para hacerlo capaz de trabajar en condiciones satisfactorias para que sus partes internas no se vean afectadas perjudicialmente por las condiciones ambientales en las que va a operar el motor. Los diferentes tipos de carcasa, tal como los define la NEMA, se encuentra en la siguiente lista (el número entre paréntesis es el número de la NEMA): 1. Hermético. Hermético al agua, al polvo, etc., cuando está construido de forma que la carcasa excluya el material especificado. (IC50-18) 2. A prueba de. A prueba de salpicaduras, de polvo, etc., cuando esté construida, protegida o tratada de manera que su funcionamiento correcto no sea interferido cuando esté sujeto al material o condición especificados. (IC50-20) 3. Resistente. Resistente a la humedad, al humo, etc., cuando esté construida, protegida de tal forma que no se vea dañado cuando esté sujeto al material especificado. (IC50-23) 4. Máquina con ventilación propia. Máquina cuyo aire de ventilación circula por medios integrados en la máquina. (MG50-41) 5. Máquina con ventilación independiente. Máquina cuyo aire de ventilación está proporcionado por un ventilador independiente o externo 116

126 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. a la máquina. (MG50-41) 6. Máquina abierta. Máquina con ventilación propia que no tiene otra restricción a la ventilación que la necesaria para su construcción mecánica. (MG50-40) 7. Máquina a prueba de goteo. Máquina en la cual las aberturas de ventilación están construidas de forma que los líquidos vertidos o las partículas sólidas caen sobre la máquina con un ángulo no mayor de 150º de la vertical y no pueden entrar a la máquina, ya sea directamente o golpeando y corriendo a lo largo de una superficie horizontal o inclinada hacia dentro. (MG50-14) 8. Máquina a prueba de salpicaduras. Máquina en la cual las aberturas de ventilación de forma que las gotas de líquido o las partículas sólidas que caen sobre la máquina en línea recta con cualquier ángulo no mayor de 1000º de la vertical, no pueden entrar en la máquina de ninguna forma. (MG50-16) 9. Máquina totalmente cerrada. Máquina cerrada de tal forma que se impida el cambio de aire entre el interior y el exterior de la carcasa, pero no tan cerrada como para considerarse herméticamente al aire. 10. Máquina totalmente cerrada y refrigerada por un ventilador. Máquina cerrada totalmente y equipada para su refrigeración exterior con un ventilador o ventiladores, integrados en la máquina, pero externos a las partes encerradas por la carcasa. (MG50-44) 11. Máquina a prueba de explosión. Máquina en una caja cerrada que está diseñada y construida para resistir una explosión de un gas o polvo especificado, que pueda ocurrir dentro de ella y para evitar la ignición del gas o polvo, que por chispas, descargas o explosiones pueda ocurrir 117

127 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. dentro de la carcasa de la máquina. (MG50-18) 12. Máquina a prueba de agua. Máquina totalmente cerrada construida de forma que expulse el agua aplicada sobre ella en forma de chorro. Máquina totalmente cerrada construida de tal forma que un chorro de agua (de diámetro no inferior a 1 pulgada) bajo una cabeza de 35 pies y desde una distancia aproximada de 10 pies se pueda arrojar sobre la máquina sin pérdida alguna, excepto la pérdida que pueda producirse alrededor del eje y que se considera admisible, dado que no puede entrar en el depósito de aceite y que existe un mecanismo para el secado automático de la máquina. (MG50-20) 13. Máquina hermética al polvo. Máquina construida de tal forma que la carcasa excluya el polvo. (MG50-22) DISEÑO ELÉCTRICO. Por lo que a diseño eléctrico se refiere existen los siguientes diseños NEMA: DISEÑO NEMA B. El diseño NEMA B corresponde a aquellos motores cuya corriente y pares de arranque son normales. Corriente de arranque normal se considera aquella cuyo valor se encuentra entre 5 y 6 veces la corriente de plena carga de un motor y las cifras de los pares de arranque están tabuladas por las normas NEMA, así como por las normas nacionales (NOM y CDONNIE), reconocidas oficialmente por la Secretaría de Comercio y elaboradas por los principales fabricantes de motores del país. Además, el deslizamiento de estos motores a plena carga debe ser de 1 a 5%. Obviamente, se comprende que este motor es el de mayor consumo y aplicación en la industria, ya que por propia conveniencia de los fabricantes de maquinaria llevan a cabo sus diseños de tal manera que los motores que vayan 118

128 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. a requerir sean los más apegados a lo que se conoce como motor normalizado (standard), desde el punto de vista de diseño eléctrico. DISEÑO NEMA C. El diseño NEMA C se refiere a aquellos motores que teniendo una corriente normal de arranque, desarrolla pares de arranque superiores a los que desarrolla un motor de diseño B. Los valores para par de arranque del diseño NEMA C también están tabulados tanto en las normas NEMA como en las nacionales. Las características de este diseño hacen fácil de definir y comprender su campo de aplicación, ya que se refiere a todos aquellos casos en que por la naturaleza de la carga se requiere un par con valor absoluto elevado, para vencer la inercia y una vez iniciado el movimiento, el comportamiento que se le solicita al motor es idéntico al del Diseño NEMA B. Un caso típico de aplicación para estos motores se refiere a los transportadores, que por cualquier causa prevista tenga que iniciar un ciclo de trabajo con la carga específica. El deslizamiento de estos motores a plena carga debe ser de 2 a 5%. DISEÑO NEMA D. El diseño NEMA D se refiere a motores que desarrollan un par de arranque nunca menor que el 275% del par a plena carga con una corriente de arranque normal y con un deslizamiento que nos permite hacer 3 grupos: el primero con un deslizamiento de 5 a 8%, el segundo requiere de un deslizamiento de 8 a 13% y el tercero de 13 a 18%. Los motores de este tipo de diseño tienen su principal aplicación en máquinas como cizallas, prensas y en general en todos aquellos casos en donde el equipo viene dotado de un volante cuya función es almacenar energía para sacar a flote al motor, durante los lapsos en que se presenta la demanda máxima de potencia. Por consiguiente, al especificar un motor, entre otras características, es necesario mencionar su tipo de diseño mecánico (protección contra el medio ambiente) y el tipo de diseño eléctrico. 119

129 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. El deslizamiento se define como la diferencia entre la velocidad síncrona Ns. Se expresa generalmente por medio de la siguiente expresión: Dónde: N S = velocidad síncrona del campo giratorio. N r = velocidad del rotor, que depende principalmente de la carga. El deslizamiento máximo es del 18% en motores de alto deslizamiento IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). IEEE, corresponde a las siglas de Institute of Electrical and Electronics Engineers, en español Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, una asociación técnico-profesional mundial dedicada a la estandarización, entre otras cosas. Con cerca de 425,000 miembros y voluntarios en 160 países, es la mayor asociación internacional sin ánimo de lucro formada por profesionales de las nuevas tecnologías, como ingenieros eléctricos, ingenieros en electrónica, científicos de la computación, ingenieros en informática, matemáticos aplicados, ingenieros en biomédica, ingenieros en telecomunicación e ingenieros en Mecatrónica. Su creación se remonta al año 1884, contando entre sus fundadores a personalidades de la talla de Thomas Alva Edison, Alexander Graham Bell y Franklin Leonard Pope. En 1963 adoptó el nombre de IEEE al fusionarse asociaciones con el AIEE (American Institute of Electrical Engineers) y el IRE (Institute of Radio Engineers). Según el mismo IEEE, su trabajo es promover la creatividad, el desarrollo y la integración, compartir y aplicar los avances en las tecnologías de la información, electrónica y ciencias en general para beneficio de la humanidad y de los mismos profesionales. 120

130 4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D. Mediante sus actividades de publicación técnica, conferencias y estándares basados en consenso, el IEEE produce más del 30% de la literatura publicada en el mundo sobre ingeniería eléctrica de potencia, electrónica en computación, telecomunicaciones, telemática, mecatrónica y tecnología de control y robótica, biomédica y biónica, procesamiento digital de señales, sistemas energéticos, entre otras ramas derivadas y correspondientes a la Ingeniería Eléctrica. Organiza más de 1000 conferencias al año en todo el mundo, y posee cerca de 900 estándares activos, con otros 700 más bajo desarrollo. Las pruebas de resistencia de aislamiento se hacen de acuerdo a los estándares de la IEEE (ANSI/IEEE ). Los métodos, pruebas y tipos de conexiones puente ocupados para medir la resistencia del circuito de armadura y resistencia de los campos, están estandarizados de acuerdo a las normas propuestas por la IEEE. 121

131 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa 5 SISTEMAS DE ALTO VOLTAJE EN CORRIENTE DIRECTA. Por lo general, la transmisión de potencia eléctrica no despierta tanto interés como su generación y uso, así que en ocasiones se tiende a ignorar este importante tema. La energía eléctrica es transportada por conductores tales como líneas de transmisión elevadas y cables subterráneos. Aunque estos conductores parecen muy ordinarios, poseen importantes propiedades eléctricas que afectan en gran medida la transmisión de potencia eléctrica. Para suministrar energía eléctrica a los consumidores de manera que puedan utilizarla, un sistema de transmisión y distribución debe satisfacer algunos requerimientos básicos. Por lo tanto, el sistema debe: 1. Suministrar, siempre, la potencia que los consumidores necesitan. 2. Mantener un voltaje nominal estable que no varíe más de ±10% 3. Mantener una frecuencia estable que no varíe más de ±0.1 Hz 4. Suministrar energía a un precio aceptable. 5. Satisfacer las normas de seguridad. 6. Respetar las normas ambientales. La potencia es transportada a través de líneas de extra alto voltaje (EHV, por sus siglas en inglés), de alto voltaje (HV, por sus siglas en inglés), de mediano voltaje (MV) y de bajo voltaje (LV, por sus siglas en inglés). Las líneas de alto voltaje (AV), conectan las subestaciones principales con las plantas de generación. Las líneas se componen de conductores aéreos o cables subterráneos que operan a voltajes por debajo de 230 kv. En esta categoría también se encuentran las líneas que transmiten potencia entre dos sistemas de energía, para incrementar la estabilidad de la red. 122

132 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa 5.1 Tecnología de alta tensión en corriente directa (HVDC). HVDC (Corriente directa en alto voltaje) es un sistema de transmisión de potencia eléctrica que utiliza corriente directa para la transmisión masiva de potencia eléctrica, en contraste con el sistema más común de corriente alterna (CA). Para la transmisión a larga distancia, los sistemas HVDC pueden ser menos costosos y sufrir menores pérdidas eléctricas. La forma moderna de la transmisión HVDC utiliza tecnología ampliamente desarrollada en la década de 1930 en Suecia (ASEA) y en Alemania. El enlace HVCD más largo del mundo es actualmente el de Xiangjiaba-Shanghai con 2,071 kilómetros, ± 800 kv, 6,400 MW que conectan a la presa Xiangjiaba de Shanghai, en la República Popular de China. El enlace más largo del sistema HVCD que esta por construirse es el de Rio Madeira, Brasil, que se compondrá de dos bipolos de ± 600 kv, 3,150 MW cada una, que conecta Porto Velho, en el estado de Rondônia al área São Paulo, con una de longitud de la línea CD de 2,375 kilómetros. La conversión práctica entre CA y CD se hizo posible con el desarrollo de la electrónica de potencia con dispositivos tales como válvulas de arco de mercurio y, a partir de la década de 1970, los dispositivos semiconductores como tiristores, tiristores conmutados de puerta integrada (IGCT), tiristores controlados-mos (MCT) y transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). El desarrollo de convertidores electrónicos de alto voltaje y alta potencia han hecho posible transmitir y controlar grandes bloques de potencia por medio de corriente directa. La transmisión de corriente directa ofrece características únicas que complementan las características de redes de CA existentes. La tecnología clásica de HVCD está basada en conversoras de conmutación, usando tiristores como elemento de rectificación e inversión. La característica más importante de estas conversoras es que necesitan de una red con generación para poder operar. Las conversoras consumen potencia reactiva y ésta es generada en parte por los filtros de CA y si esto no 123

133 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa fuere suficiente se agregan bancos de capacitores. Tanto los bancos de capacitores como los filtros son conectados y desconectados con interruptores. Se suele requerir un 50 % de la potencia activa del enlace en potencia reactiva. Figura 5.1 Convertidor HVDC monopolar, 600 MW 450KV y sus partes principales de una estación conversora. 5.2 Componentes de una línea de transmisión de CD. Para funcionar apropiadamente, un sistema de transmisión de CD debe contar con componentes auxiliares, además de los convertidores básicos. De acuerdo con la figura 5.2, los componentes más importantes son: 1. Inductores de línea de CD (L) 2. Filtros de armónicos del lado de CD (F CD ) 3. Transformadores convertidores (T 1, T 2 ) 4. Fuente de potencia reactiva (Q 1, Q 2 ) 5. Filtros de armónicos en el lado de ca (F ca ) 6. Enlace de comunicación de microondas entre las estaciones convertidoras. 7. Electrodos de tierra (Gd) Figura 5.2 Diagrama esquemático que muestra algunos de los componentes más importantes de un sistema de transmisión HVCD. 124

134 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa Figura 5.3 Esquema básico de transmisión HVDC Inductores y filtros de armónicos del lado de CD (convertidor de 6 pulsos). Las tensiones armónicas que se generan en el lado de continua, tanto en el proceso de rectificado como en el de inversión, se traducen en corrientes (corrientes alternas) armónicas de orden pn que se superponen a la onda de continua y originan radio interferencias en sistemas de comunicación vecinos aunque se instalen bobinas de suavizado (reactancia de suavizado). Al igual que en el lado de CA se emplean filtros sintonizados con un determinado número de armónicos, así como filtros pasa-bajos. Cuando se emplea la configuración back-to-back o cuando la conexión es por cable subterráneo estos armónicos quedan apantallados y es posible prescindir de estos filtros. Los armónicos de voltaje se producen en el lado de CD tanto del rectificador como del inversor. Dan lugar a la 6a. y la 12a. corrientes armónicas, y si se permite que fluyan por la línea de CD, podrían producir un serio problema de ruido en líneas telefónicas cercanas. En consecuencia, se requieren filtros para evitar que las corrientes fluyan por la línea. Los filtros constan de dos inductores L y un filtro en derivación F CD. Éste se compone de dos circuitos LC en serie, cada uno sintonizado para poner respectivamente en cortocircuito la 6a. y la 12a. corrientes armónicas a tierra. Los inductores L también evitan que la corriente directa de línea se incremente 125

135 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa con demasiada rapidez si ocurre una falla en la línea. Esto permite que los tiristores asuman el control antes de que la corriente llegue a ser demasiado grande para controlarla electrónicamente. En la figura 5.4d se puede ver un filtro armónico del lado de CD. Figura 5.4 Elementos de un sistema HVDC (en la imagen se muestra un sistema bipolar) Transformadores convertidores. El propósito básico del transformador convertidor del lado del rectificador es transformar el voltaje de la red de CA E L1 para generar el voltaje de CA E 1 requerido por el convertidor. Tiene como objetivo adaptar el voltaje que llega a las válvulas del convertidor, y en muchos casos actúa también como filtro en el lado de alterna (fig. 5.4b). Se utilizan transformadores trifásicos, conectados en Y-Y o Y-delta. En ocasiones se agrega un devanado terciario a voltaje más bajo para conexión directa a una fuente de potencia reactiva (Q 1 ). En general, adapta el voltaje de alterna de entrada para que se ajuste al valor de tensión que es requerido en la salida de continua, y a la salida del inversor para que se adapte al nivel de CA. 126

136 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa Para un convertidor de doce pulsos la configuración es de tres devanados, un devanado primario en estrella y dos devanados secundarios estrella- triángulo, o en el caso de conexión bipolar un convertidor con transformador estrellatriángulo y otro con transformador estrella-estrella. En ambos casos con el secundario dotado de regulación para ajustar el nivel de tensión y mantenerlo constante en el lado de continua. Estos transformadores se pueden suministrar en unidades monofásicas o trifásicas. El voltaje de línea de CD E d se mantiene esencialmente constante desde la condición sin carga hasta la condición a plena carga. Además, para reducir la potencia reactiva absorbida por el convertidor, el ángulo de activación α se debe mantener pequeño. Figura 5.5 Transformador convertidor Siemens usado en sistemas HVDC. Esto significa que la relación entre la entrada de voltaje de CA y la salida de voltaje de CD del convertidor es esencialmente fija. Como E d es constante, entonces E 1 también debe ser esencialmente constante. Por desgracia, el voltaje E L1 de la red puede variar significativamente durante todo el día. Por consiguiente, los transformadores convertidores en el lado del rectificador disponen de tomas para que el voltaje de entrada variable E L1 produzca un voltaje de salida E 1 razonablemente constante. Las tomas son conmutadas automáticamente por medio de un cambiador de tomas motorizado siempre que el voltaje E L1 de la red cambia durante un 127

137 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa tiempo significativamente largo. Por la misma razón, se requieren tomas en los transformadores convertidores en el lado del inversor Fuente de potencia reactiva. La potencia reactiva Q absorbida por los convertidores debe ser suministrada por la red de CA o por una fuente de potencia reactiva local. Como la potencia activa transmitida varía a lo largo del día, la fuente reactiva también debe ser variada. Por consiguiente, se requieren capacitores estáticos variables o un capacitor síncrono. En transmisiones HVDC operando normalmente, se consume energía reactiva aproximadamente con un valor del 60% de la energía activa que se está transmitiendo. Los condensadores en paralelo (Fig. 5.4f) que se instalan en el lado de CA del convertidor, suministran la energía reactiva necesaria para mantener el nivel de tensión en el convertidor. Estos se conectan o desconectan automáticamente mediante interruptores y pueden hacer las veces de filtros de armónicos Filtros de armónicos en el lado de CA. Los convertidores de 6 pulsos trifásicos producen 5o., 7o., 11o., 13o. (y más altos) armónicos de corriente en el lado de CA. Estos armónicos son resultado directo de las formas de onda de corriente recortadas. Estos armónicos distorsionan la onda, generan interferencias en las telecomunicaciones y calentamientos en equipos de CA. Para amortiguar el efecto de los armónicos en el lado de alterna se emplean filtros sintonizados y filtros pasa-altos que ofrecen un camino de baja impedancia a las corrientes armónicas (fig. 5.4c). Las corrientes son desviadas a través de filtros F ca de baja impedancia conectada entre las líneas trifásicas y tierra. Los filtros para cada frecuencia se conectan en Y, y el punto neutro se conecta a tierra. En una red de 60 Hz, cada filtro trifásico consta de un conjunto de circuitos LC resonantes en serie 128

138 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa sintonizados respectivamente a 300, 420, 660 y 780 Hz. A 60 Hz estos circuitos LC son casi capacitivos. En consecuencia, también suministran una parte de la potencia reactiva Q absorbida por cada convertidor. Los doce filtros armónicos de la figura 5.6, están sintonizados para 300 Hz, 420 Hz, 660 Hz y 780 Hz. Están conectados entre las tres líneas y el neutro de la línea de transmisión saliente de 230 Kv y 60 Hz. El filtro en primer plano está sintonizado a 720 Hz. Es un circuito en serie compuesto de un resistor de 2 V, un grupo de capacitores con capacitancia total de μf y un inductor lleno de aceite de 44.4 mh. La potencia reactiva a 720 Hz asociada con el circuito LC asciende a 18.8 Mvar Enlace de comunicaciones. Para controlar los convertidores en ambos extremos de la línea, es esencial un enlace de comunicaciones entre ellos. Por ejemplo, para mantener el margen de corriente ΔI, el inversor en un extremo de la línea debe saber cuál es el ajuste de la corriente I 1 del rectificador. Esta información es transmitida continuamente por un enlace de comunicaciones de alta velocidad entre los dos convertidores Electrodo de tierra. Figura 5.6 Doce filtros armónicos monofásicos de una estación de inversor. Los electrodos de puesta a tierra (Fig. 5.4j), para el retorno de la corriente, son 129

139 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa un elemento a tener en cuenta en una instalación HVDC, ya que aportan protección y son una solución económicamente más rentable a un retorno metálico, incluso para transmisiones de corta distancia, en el que un conductor hace de camino de retorno de la corriente. Las corrientes directas en la tierra tienen un efecto corrosivo en tuberías, cables y estructuras metálicas. Por ello, el electrodo de tierra real generalmente se localiza a varios kilómetros de la estación de convertidor, para garantizar que las corrientes directas dirigidas a tierra no produzcan un problema local alrededor de la estación. Se utilizan tanto en sistemas con conexión monopolar como bipolar, y en esta última, se pueden instalar los electrodos de puesta a tierra como si de un neutro se tratara, para que en caso de una falla, exista la posibilidad de operar con este camino. Merece la pena señalar que aunque en una conexión bipolar la corriente está equilibrada entre los dos polos, siempre existe una pequeña corriente de fuga a tierra, motivo por el que los electrodos se suelen instalar alejados de las estaciones. El alambre de conexión a tierra para corrientes directas entre la estación y el sitio de conexión a tierra se instala en un poste o en un cable blindado. En el sitio de conexión a tierra se utilizan medios especiales para reducir al mínimo la resistencia del electrodo. Esto es particularmente importante cuando un sistema bipolar opera temporalmente en el modo monopolar. En estas circunstancias, la corriente a tierra puede exceder los 1,000 A, y el calor generado seca eventualmente el lecho de conexión a tierra, lo que hace que se incremente su resistencia. Los electrodos para un sistema HVDC pueden instalarse en tierra, en la costa o en el mar (submarinos), estos dos últimos pueden ser instalados como pares anódicos o catódicos (fig. 5.6) 130

140 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa Figura 5.7 Clasificación general de los electrodos para HVDC. Las mejores tierras se obtienen cerca de, o en, grandes cuerpos de agua. Pero incluso en este caso se deben utilizar métodos de conexión a tierra sofisticados Estación de convertidor tiristor. Consiste en la asociación en serie o paralelo (depende de la tensión de trabajo del convertidor) de tiristores junto con dispositivos auxiliares, para formar módulos (Fig.5.8a). Figura 5.8 a) Módulo con válvulas a base de tiristores LTT. b) Tiristor LTT. El disparo de los tiristores se realiza mediante un impulso eléctrico, conocido este dispositivo como tiristor activado por electricidad o ETT (Electrical Triggered Thyristor), en las instalaciones recientes se suelen transmitir las señales de disparo por fibra óptica mediante fotones, esto se conoce como tecnología de tiristor activado por luz o LTT (Light Triggered Thyristor Fig. 5.8b). La conversión óptico-eléctrica se realiza en el propio interruptor, aportando un alto nivel de aislamiento galvánico. En un sistema HVDC la conmutación se lleva a cabo básicamente del siguiente modo: se aplica un pulso eléctrico positivo en la puerta del tiristor para producir 131

141 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa el disparo de este y en ese momento pasa a conducir la corriente, el dispositivo continúa en conducción hasta que la onda de corriente trata de invertirse. Es por esto que un convertidor (Fig. 5.4a) requiere una red de CA para poder conmutar, y poder funcionar como inversor. El convertidor realiza la transformación de la energía de CA-CC y CC-CA, pudiendo considerase como la parte más importante de un sistema HVDC. Los convertidores de arco de mercurio han sido sustituidos por convertidores a base de tiristores y el diseño de éstos ha llegado a ser casi estándar. Cada polo se compone de dos convertidores de 6 pulsos. Por lo tanto, el convertidor consta de doce válvulas repartidas en dos convertidores de seis pulsos con lo que en el caso de la rectificación se consigue una onda de continua con un rizado menor. Durante su trabajo se generan armónicos de orden 12n±1 en el lado de alterna y de orden 12n en el lado de continua, con lo que se reduce la tasa de distorsión armónica y se estabiliza la onda de salida si se compara con el rectificador de seis pulsos. La figura 5.9 muestra cómo se conectan dos convertidores de 200 kv para producir una salida de CD de 400 kv. Figura 5.9 Diagrama esquemático de un polo de una estación de convertidor de ±400 kv. 132

142 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa El diagrama de la figura 5.9 se compone de dos convertidores de 200 kv conectados en serie en el lado de CD. Los convertidores son unidades de 6 pulsos, conectados respectivamente a voltajes trifásicos que están 30 fuera de fase. El filtro de CD está sintonizado al 12o. armónico. Los filtros de CA evitan que los armónicos 11o., 13o. y más altos entren al sistema de 230 kv. El compensador variable estático suministra la potencia reactiva requerida por el convertidor. Los dos convertidores actúan como un convertidor de 12 pulsos. La figura 5.10 muestra las tres válvulas que conforman un convertidor de 12 pulsos, junto con las conexiones de CA y de CD. Las válvulas se llaman válvulas cuádruples porque cada una se compone de cuatro brazos puente Reactancia de suavizado. A este elemento se le conoce también como bobina de choque o suavizado, o reactancia de continua (Fig. 5.4e). Se trata de una reactancia inductiva normalmente, en serie con la línea de salida en CD. Cumple las siguientes funciones: Figura 5.10 Diagrama esquemático del convertidor de 12 pulsos que muestra los dos convertidores de 6 pulsos y las conexiones de línea. Tres válvulas cuádruples constituyen los componentes principales de un polo del pasillo de válvulas. a) Prevenir corrientes intermitentes, debido al rizado de la corriente. b) Limitar las faltas de corriente en el lado de CD. c) Prevención de efectos de resonancia en el circuito de CD. d) Reducción de corrientes armónicas e interferencias en líneas de 133

143 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa comunicación Interruptores. 1. Interruptores de CA (Fig. 5.4i): El sistema de corriente alterna se conecta a un sistema HVDC mediante las conexiones de la subestación, que no es más que una barra colectora a la cual se conecta la estación convertidora. Las conexiones de CA (red alimentadora/receptora), las conexiones de CD (entrada/salida del convertidor), y los filtros de armónicos de CA junto con otros elementos, pueden disponerse de diferentes maneras en función de varios requisitos como son la fiabilidad, la redundancia, el nivel de protección, el diseño de la subestación, etc. Entre los tipos de interruptores de CA más empleados en las subestaciones se encuentran: de gran volumen de aceite, de pequeño volumen de aceite, neumáticos, de vacío o de hexafluoruro de azufre. 2. Interruptores rápidos de CD (Fig. 5.4h): Con el objetivo de evitar interrupciones de corriente y poder conmutar diferentes caminos de transmisión de CD en conexiones con más de un polo terminal, se disponen interruptores, diferenciando entre los siguientes tipos: a) NBGS (Neutral Bus Ground Switch): Este interruptor permanence abierto en su funcionamiento normal, pero cuando se cierra conecta la toma de tierra de la estación convertidora a la malla de tierra, cuando por ejemplo deja de funcionar una línea en un bipolo equilibrado. b) NBS (Neutral Bus Switch): En caso de falta a tierra de la subestación, este interruptor desvía una parte de la corriente continua a tierra. Se conecta en cada polo en serie con el neutro, de manera que si uno de ellos sufre una falta a tierra ese polo se bloquea, pero el polo restante puede seguir funcionando por la conexión común del neutro. 134

144 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa c) GRTS (Ground Return Transfer Switch): Se utiliza para volver a operar una línea en modo bipolar con retorno por tierra, después de una falla en una estación cuando la línea ha estado funcionando como monopolar con retorno metálico. d) MRTB (Metallic Return Transfer Breaker): Se utiliza junto con el GRTS para conmutar la corriente entre el retorno por tierra y el retorno metálico (paralelos). Cuando en un bipolo ocurre una falta en una de las estaciones, pasa a ser primero monopolar con retorno por tierra y finalmente, cuando el MRTB se conecta y el GRTS se desconecta, bipolar con retorno metálico. De este modo se consigue continuidad en el suministro. 5.3 Tipos de sistemas y configuraciones Tipos de conexiones en HVDC. MONOPOLAR. La configuración monopolar consiste en la utilización de un único conductor para transmitir potencia entre una estación de conversión y otra, realizando el retorno mediante los electrodos de las subestaciones conectados a tierra. Figura 5.11 Conexión monopolar. a) Retorno por tierra mediante electrodos. b) Retorno metálico. Este tipo de conexión supone un ahorro en el cable conductor pero se tiene que tener presente que no siempre es recomendable su uso, especialmente cuando las pérdidas por la tierra son muy grandes o no se puede instalar por razones medio ambientales.en estos casos se puede instalar un retorno 135

145 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa metálico. a) RETORNO A TIERRA. Si no se instala un conductor metálico, la corriente fluye en la tierra y/o mar entre dos electrodos de tierra diseñados especialmente. Este arreglo es un tipo de retorno por tierra de un solo cable del sistema. Los electrodos están situados generalmente algunas decenas de kilómetros de las estaciones y están conectados a las estaciones a través de medio voltaje de una línea de electrodo. El diseño de los propios electrodos depende de si se encuentran en la tierra o en el mar. Para la configuración monopolar con retorno a tierra, el flujo de corriente a tierra es unidireccional, lo que significa que el diseño de uno de los electrodos (el cátodo) puede ser relativamente simple, aunque el diseño del ánodo es bastante complejo. b) RETORNO METÁLICO. Consiste en la instalación de un conductor metálico de retorno entre los dos extremos de la línea de transmisión monopolar. Como un terminal de los convertidores está conectado a tierra, el conductor de retorno no necesita ser aislado para la completa transmisión de voltaje que hace que sea menos costoso que un conductor de alta tensión. La decisión de si debe o no utilizar un conductor de retorno metálico se basa en factores económicos, técnicos y ambientales. c) MONOPOLAR SIMÉTRICO. Una alternativa es usar dos conductores de alta tensión, que funcionen a ± medio del voltaje de CD, con sólo un único convertidor en cada extremo. En esta disposición, conocida como monopolar simétrica, los convertidores sólo están conectados a tierra a través de una alta impedancia y no hay corriente a tierra. 136

146 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa La disposición simétrica monopolar es poco frecuente, con convertidores conmutados, pero es muy común con convertidores de fuente de voltaje cuando se utilizan cables. BIPOLAR. La mayoría de las líneas de transmisión de CD son bipolares. Poseen una línea positiva y una línea negativa y un retorno a tierra común (Figura 5.12). Un convertidor está instalado en el extremo de cada línea y las corrientes I d1 e I d2 fluyen en las direcciones mostradas. Los convertidores 1 y 3 actúan como rectificadores mientras que los convertidores 2 y 4 son inversores. Obviamente, la potencia fluye por ambas líneas desde la red de ca 1 hasta la red de ca 2. La corriente a tierra es I d1 - I d2. En general es pequeña porque los convertidores mantienen automáticamente las corrientes iguales en las líneas positiva y negativa. La configuración bipolar tiene tres ventajas. En primer lugar, la corriente a tierra es pequeña, bajo condiciones normales. Por consiguiente, la corrosión de tuberías, estructuras, etc., se reduce al mínimo. En segundo lugar, las mismas torres de línea de transmisión pueden soportar dos líneas, con lo cual se duplica la potencia, con un incremento relativamente pequeño de la inversión de capital. En tercer lugar, si se interrumpe el flujo de potencia en una línea, la otra puede seguir funcionando y suministrando la mitad de la potencia normal entre las redes de ca. Figura 5.12 Línea bipolar que transmite potencia de la red 1 a la red

147 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa Para invertir el flujo de potencia en una línea bipolar, cambiamos los ángulos de activación de modo que todos los rectificadores se transformen en inversores y viceversa. Esto invierte la polaridad de las líneas de transmisión, pero las corrientes de línea I d1 e I d2 continúan fluyendo en la misma dirección que antes (Figura 5.13). Figura 5.13 La inversión de potencia de la red 2 a la red 1 se obtiene invirtiendo las polaridades de la línea. Figura 5.14 Conexión monopolar y bipolar Configuraciones del sistema HVDC. De forma análoga a los sistemas de corriente alterna, en HVDC existen unas estructuras de red básicas. Estas configuraciones vienen fijadas por el uso y aplicaciones que hasta hoy han tenido las redes en corriente continua. PUNTO A PUNTO. La configuración punto a punto, es la tipología más utilizada para conectar dos puntos lejanos mediante una línea de corriente continua. Esta instalación consiste en dos estaciones convertidoras conectadas mediante una línea de transmisión. Debido a las aplicaciones de la tecnología hasta día de hoy, es la 138

148 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa configuración más extendida hasta el momento. Una de las estaciones funcionara como rectificador y la otra como inversor en función de las necesidades del sistema. Se utiliza también en conexiones submarinas, permitiendo la transmisión a cargas aisladas (estaciones petrolíferas) o sistemas de generación aislados (parques eólicos en alta mar), o para apoyar sistemas insulares (eléctricamente débiles) desde sistemas continentales, entre otras aplicaciones. Figura 5.15 Estructuras de conexión en sistemas HVCD. BACK-TO-BACK. La configuración back-to-back (o B2B, para abreviar), es la conexión utilizada para conectar dos sistemas asíncronos (a distinta frecuencia). La instalación consiste en la interconexión de dos convertidores situados en la misma estación convertidora, uno para cada sistema eléctrico. La interconexión se realiza mediante un enlace en corriente continua, sin la necesidad de una línea de transmisión. La longitud de la línea de corriente continua se debe mantener tan corta como sea posible en una estación de HVCD back-to-back. El voltaje de CD del circuito intermedio se puede elegir libremente para estaciones HVCD back-to-back debido a la longitud corta del conductor. El voltaje de CD se selecciona generalmente para ser tan bajo como sea posible, con el fin de construir una pequeña sala de válvulas y para reducir el número de tiristores conectados en serie en cada válvula. Por esta razón, en las estaciones de HVCD back-to-back las válvulas deben tener la corriente más alta disponible (en algunos casos, hasta 4,500 A). 139

149 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa Figura 5.16 Configuración back-to-back. MULTITERMINAL. La tipología multiterminal consiste en la conexión de tres o más conversores separados geográficamente. Este tipo de configuración presenta las bases para crear el concepto de bus de transmisión en corriente continua. Existen dos tipos de conexiones multiterminales, una conocida como paralelo, que consistente en la interconexión de los convertidores en paralelo, así cada uno vería la misma tensión y otra de serie donde se conectarían los convertidores en serie. También pueden existir conexiones hibridas combinado serie y paralelo. Paralela: todas las subestaciones estas conectadas a la misma tensión. Se utilizan cuando todas las subestaciones superan el 10 % de la potencia total de las estaciones rectificadoras. Serie: las subestaciones se conectan en serie y a cada una de ella llega una tensión diferente. Unas subestaciones conectada en serie no puede consumir más del 10 % de la potencia total de las estaciones rectificadoras para no afectar el nivel de tensión que llega a las otras. Figura 5.17 Configuración multiterminal. 140

150 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa Sistemas de transmisión de alta tensión en corriente directa (HVDC). El reto de hoy en la transmisión de energía exige soluciones técnicas y efectivas. La tecnología de los sistemas de alto voltaje CD es la solución adecuada para una transmisión de energía económica sobre largas distancias y un método confiable para conectar redes asincrónicas de diferentes frecuencias. Con esto, la transmisión de energía HDVC es la única alternativa real a la tecnología CA. HVCD CLÁSICO. Un enlace CD HVDC clásico conecta dos sistemas CA de alta tensión a larga distancia de cables aéreos o submarinos así como dos sistemas vecinos independientes con parámetros eléctricos incompatibles. Los sistemas de corriente continua de alto voltaje (HVDC) se utilizan para la transmisión de potencia a nivel mundial. Es un complemento útil o en algunos casos la única alternativa para los sistemas de alto voltaje de corriente alterna (HVAC) tradicionales. Estos sistemas de transmisión HVDC se utilizan específicamente para transmitir económicamente la energía eléctrica a grandes distancias a través de líneas aéreas o por cable o conectar redes asíncronas con diferentes frecuencias. Usa las configuraciones del sistema bipolar y back to back. Los sistemas de transmisión HVDC conectan dos sistemas de corriente alterna de alta tensión separados a través de un circuito intermedio. El principio básico de funcionamiento de un sistema HVDC se basa en la conversión de corriente alterna a corriente continua y viceversa por medio de válvulas convertidoras que comprenden tiristores de potencia, que son el corazón de una estación convertidora. La capacidad de control total de los sistemas de HVDC es una característica superior en comparación con un sistema de HVAC. 141

151 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa Tabla 5.1 Comparación entre el control de una conexión CD y una conexión CA. Flujo de carga. Pico de suministro. Conexión de CD Totalmente controlado por el operador en ambas direcciones. Capacidad de sobrecarga inherente, por ejemplo, para la carga pico se puede utilizar de forma activa. Conexión de CA Sin control, dependiendo de las condiciones de red actual Capacidad de sobrecarga no controlada por el operador. Estabilización de las redes de corriente alterna conectados. La estabilización de la tensión y la frecuencia de suministro de energía activa y reactiva controlada de forma independiente. Hay características controladas. Comparación del control de una conexión de CD y CA, tomando como parámetro la medición de flujo de carga, pico de suministro y estabilización de redes. HVDC PLUS. Su diseño innovador permite ventajas técnicas y económicas. Vía implementación de un nuevo concepto de convertidores de voltaje, procedente de varios niveles modulares, HVDC plus es la solución preferida en la que la falta de espacio es un criterio. Es ideal para la conexión de las plataformas marinas remotas y los parques eólicos a la red en tierra, así como para las zonas de alta densidad de la fuente de alimentación, como las megas ciudades. HVDC plus ofrece ventajas tecnológicas significativas para las redes de transmisión: Puede funcionar en redes de CA con muy bajos niveles de cortocircuito o con cargas pasivas. Cuenta con un control independiente de la potencia activa y reactiva (funcionamiento completo de cuatro cuadrantes). Puede ser operado en una red asimétrica (por ejemplo, durante los fallos de red de CA) y proporciona un control de desequilibrio para compensar 142

152 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa cargas asimétricas. Es flexible con respecto a la potencia reactiva y ofrece un control de voltaje para débiles redes de CA. Es bueno con respecto a los fallos de red de CA y sirve como servidor de seguridad para limitar la propagación de las perturbaciones del sistema. Está totalmente adecuado para la aplicación del sistema Back-to-Back, así como para la transmisión de larga distancia con cables de CD o con CD-línea aérea. Las características de HVCD PLUS son: Menor necesidad de espacio. Baja altura de la instalación. Instalación y puesta en marcha a corto plazo. Alta confiabilidad. SISTEMA DE TRANSMISIÓN HVDC LIGHT. La figura 5.18 da una idea global del novedoso sistema de transmisión HVDC Light. Consta de: Una línea muy corta 1, 2, 3 que conecta el convertidor 1 a una red trifásica de 60 Hz. Un convertidor 1 de CA a CD que convierte potencia de CA en CD. Un cable de CD largo que conecta el convertidor 1 al convertidor 2 en el sitio remoto. Un convertidor 2 de CD a CA que convierte la potencia de CD en CA. La carga de CA en el sitio remoto. El convertidor 1 está conectado a la red de potencia por medio de tres reactores que corresponden a las inductancias L 1. Las terminales 7 y 8 están conectadas al cable de CD. El otro extremo del cable está conectado a las terminales 9 y 10 del convertidor

153 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa Éste suministra potencia a la carga por medio del reactor x que es similar a los asociados con el convertidor 1. Para simplificar el circuito, los filtros armónicos L 2, C 2 y R 2 no se muestran. Están conectados respectivamente entre las terminales 1, 2, 3 y el neutro local N y entre las terminales d, e, f y el neutro remoto N. Figura 5.18 Vista global de un sistema de transmisión HVCD Light que utiliza convertidores PWM. El convertidor 1 convierte potencia de CA en potencia de CD. El convertidor 2 transforma energía de CD en energía de CA. El convertidor 2 genera el voltaje trifásico deseado y la frecuencia requerida en el sitio remoto. La corriente de línea y el factor de potencia en el sitio dependen de la carga. El convertidor 2 genera un voltaje trifásico fundamental (y armónicos) entre las terminales a, b y c. La salida filtrada aparece a través de las terminales d, e y f. Sin embargo, es más fácil seguir el comportamiento del convertidor observando los componentes fundamentales del voltaje y la corriente de sólo una fase. La potencia activa por fase está dada por la expresión: El cable de CD conduce sólo el componente activo de la potencia absorbida por la carga. Por consiguiente, la potencia total transportada por el cable es 3 X P. Como el voltaje de CD es E H, la corriente directa en el cable es: Cuál es la relación entre el voltaje de CA E ab de línea a línea y el voltaje de CD E H? Para no recortar los picos de la forma de onda sinusoidal, el valor pico del voltaje de línea a neutro nunca debe ser mayor que E H /2. En estas 144

154 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa condiciones, se puede demostrar que E H es aproximadamente dos veces el valor eficaz del voltaje de línea a línea del convertidor. Por lo tanto, se escribe: Donde, = voltaje de CD de línea a línea del cable (kv), = voltaje de ca eficaz de línea a línea del convertidor (kv). Ignoremos por un momento las pérdidas en los convertidores y el cable de CD. En condiciones permanentes, la potencia activa 3P absorbida por el convertidor 1 de la red trifásica es necesariamente igual a la potencia activa suministrada a la carga en el sitio remoto. CONVERTIDORES PWM. Los convertidores PWM (modulación por ancho de pulso, por sus siglas en inglés) son extremadamente versátiles porque pueden generar un voltaje de cualquier forma, frecuencia y fase con sólo aplicar una señal de conmutación apropiada a los IGBTs. Esta característica es particularmente atractiva en sistemas de distribución debido a los armónicos que están presentes tanto en los voltajes como en las corrientes. Otra razón que favorece a los convertidores PWM es su capacidad de generar voltajes sinusoidales a 60 Hz en lugar de las ondas rectangulares producidas por los GTOs. Por consiguiente, los convertidores PWM se pueden conectar directamente a la red de distribución sin tener que filtrar o desplazar la fase de los armónicos de los pulsos rectangulares de 60 Hz. Una razón final para utilizar convertidores PWM es que muchas formas de onda distorsionadas producidas por procesos industriales contienen armónicos de voltaje y corriente que no guardan relación alguna con la frecuencia de línea de 60 Hz. Los convertidores de conmutación PWM son capaces de generar voltajes y corrientes en oposición a estas distorsiones aleatorias, con lo cual las neutralizan. 145

155 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL IGBT (transistores bipolares con compuerta aislada, por sus siglas en ingles). El IGBT es un interruptor controlado por voltaje cuyas terminales están identificadas del mismo modo que las de un transistor, es decir, colector, emisor y base. Las características en los estados activo e inactivo se muestran en la figura 5.19, junto con los voltajes y corrientes limitantes. Los IGBTs pueden manejar mucha más potencia que otros controladores de voltaje. Figura 5.19 Propiedades típicas y límites aproximados de IGBTs. CONTROL DE POTENCIA ACTIVA. La potencia activa total absorbida por el convertidor 1 es controlada por el voltaje de CD E H en las terminales del cable. Para demostrar por qué es así, ignoremos otra vez las pérdidas en los convertidores y el cable. En condiciones permanentes, la potencia activa de la carga remota es constante. Como resultado, la potencia absorbida del cable entre las terminales 9 y 10 es igual a la potencia absorbida por el cable entre las terminales 7 y 8 (Figura 5.18). Por consiguiente, el voltaje E H y la corriente I d son estables. Sin embargo, si la carga conectada al convertidor 2 disminuye, mientras el ángulo θ1 y el voltaje E 4N permanecen sin cambios (figura 5.20), la entrada de potencia al cable será mayor que su salida. La diferencia entre las dos cargará los capacitores C 1 lo que, a su vez, producirá un rápido incremento del voltaje de CD E H a través del cable. Este rápido incremento es detectado por el sistema de control del convertidor 1. Una 146

156 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa señal correctora reducirá inmediatamente tanto el ángulo θ1 como el voltaje E 4N. Como resultado, la potencia de CA absorbida por el convertidor 1 disminuirá, lo que a su vez reducirá la potencia suministrada al cable. En cuanto sea igual a la potencia de CD absorbida por el convertidor 2, el voltaje en el cable será restaurado a casi su valor nominal. Figura 5.20 Diagrama fasorial de los voltajes y de la corriente de línea en el punto 1 de la red que suministra la potencia activa. Contrario a la forma tradicional de controlar flujo de potencia de CD mediante tiristores, no hay necesidad de telecomunicar continuamente el estado de los dos convertidores en cada extremo de la línea. Además, ya no requieren los grandes y costosos filtros. La razón es que las frecuencias armónicas más bajas son aproximadamente 40 veces la frecuencia fundamental del sistema. Por lo tanto, sobre una base de 60 Hz, el armónico más bajo será de aproximadamente 2,400 Hz. Los filtros de alta frecuencia son pequeños y baratos. En un sistema de transmisión de CD convencional se requieren filtros grandes para absorber los armónicos 5o., 7o., 11o. y 13o. de frecuencia relativamente baja. Obviamente, los convertidores PWM ofrecen varias ventajas sobre los convertidores controlados por tiristores que utilizan conmutación de línea natural. Si incluimos la ventaja de utilizar un cable subterráneo, protegido contra las inclemencias del clima y con la libertad de asegurar derechos de vía, los convertidores PWM son aún más atractivos. 147

157 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa Sin embargo, los IGBTs aún no pueden manejar potencias tan grandes como la que manejan los tiristores. 5.4 Sistemas convertidores de fuentes (VSC) y conversión de líneas de CA en CD Tecnología VSC (Voltage Source Converter). La tecnología VSC (Voltage Source Converter) se basa en el uso de dispositivos semiconductores de conmutación forzada. Estos semiconductores, habitualmente IGBT (insulated gate bipolar transistor) pueden conmutar sin necesidad de la red, permitiendo el control simultáneo e independiente de potencia activa y reactiva, así como controlar el encendido y apagado de los dispositivos del convertidor. Puede operar en sistemas con baja potencia e incluso, iniciar un sistema desde cero (blackout), lo que es de gran ayuda al energizar cargas aisladas pasivas o recuperar un sistema débil. La señal de salida del convertidor tiene siempre la misma amplitud (máxima), pero los pulsos que la componen varían su duración, lo que supone la entrega de una señal con una tensión media que varía en función del ancho del pulso. La forma de onda a la salida tendrá en cada momento el valor de la tensión media de cada pulso. Así es posible controlar tanto la frecuencia como la amplitud de la señal. A nivel comercial, existen distintas configuraciones de convertidores aplicadas a la tecnología VSC. Siendo las más importantes la tecnología HVDC Plus diseñada por Siemens y la tecnología HVDC Light desarrollada por ABB. Figura 5.21 Esquema de un convertidor VSC. 148

158 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa Tanto la tecnología HVDC Plus como la tecnología HVDC Light utilizan una estructura de subestación muy similar. Su principal diferencia es el uso de una estructura de convertidor a tres niveles (tres niveles de IGBT) por parte de la tecnología desarrollada por Siemens y el uso de un convertidor a dos niveles (dos niveles de IGBT) por parte de la tecnología desarrollada por ABB. Igual que en la tecnología LCD, las estaciones equipadas con VSC requieren filtros en el lado de continua como en el de alterna para minimizar el efecto de los armónicos. A diferencia que la tecnología anterior, la VSC no requiere ninguna fuente de reactiva ya que el propio convertidor es capaz de controlarla Tecnología LCD (Line Commutated Converter). La tecnología de convertidores LCD (Line Commutated Converter) se basa en el uso de la conmutación natural. Originalmente se usaban válvulas de mercurio pero durante los años 70, la evolución y aumento de las potencias y tensiones de los dispositivos semiconductores permitieron sustituir las válvulas por tiristores o SCR (silicon controlled rectifiers) o más modernamente LASCR (light activated silicon controlled rectifiers). Esto resulta en un convertidor con dispositivos semicontrolados, dado que este circuito permite seleccionar el momento (ángulo) de disparo o conexión durante la polarización directa del dispositivo, pero no es posible controlar el corte, que no llegara hasta que sea polarizado inversamente. El empleo de tiristores permite el control del momento del disparo del tiristor pero no del apagado. Como consecuencia de esto, los rectificadores LCD permiten controlar la potencia activa pero no la reactiva. Los tiristores usados actualmente en HVCD se caracterizan por: Tensión de bloqueo hasta 8 kv. Intensidad máxima de 4 ka. Señal de puerta óptica. Technologic LTT (light triggered thyristor) o ETT 149

159 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa (electrical triggered thyristor). Para el rectificado en las estaciones de conversión equipados con la tecnología LCD, suelen usarse dos rectificadores de seis tiristores conectados a dos transformadores cuyos devanados están desfasados 30º entre sí, denominando a esta configuración rectificador de doce pulsos. Esta configuración de 12 pulsos, se destaca por reducir la distorsión armónica frente al rectificador convencional de seis pulsos. También se requieren filtros en el lado de continua como en el de alterna para minimizar el efecto de los armónicos en la red. Al mismo tiempo, se requiere una fuente de reactiva en el lado de alterna para asegurar un buen funcionamiento de la estación convertidora. Figura 5.22 Esquema de un centro de conversión LCD. 5.5 Cables para transmisión. De los 70,000 MW de capacidad de transmisión de HVDC instalados, un 12 % corresponden a cables subterráneos/submarinos (~8,000 MW) y un 88 % corresponden a líneas aéreas (~62,000 MW) Líneas aéreas. Las líneas aéreas de un sistema de HVDC presentan una serie de ventajas importantes respecto a las aéreas HVAC. Una de ellas es el tamaño de las torres. Si bien la distancia entre líneas debido a la tensión es superior en 150

160 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa HVDC, el número de líneas es inferior (2 líneas HVDC frente a 3 HVAC). Esta diferencia entre la distancia en líneas es debida a que en CA, depende de la tensión entre fases, mientras que en CD depende de la existente entre fase y tierra. El resultado son una torre de menor tamaño y menor necesidad de derecho de vía (servidumbre). Figura 5.23 Franja de servidumbre para el caso de 500 KV HVAC (izquierda) y ± 500 HVDC (derecha) para transportar 3,000 MW, En contra se podría decir que los aisladores de los circuitos HVDC han de ser de mayor calidad, ya que acumulan mayor cantidad de residuos en su superficie debido al sentido unidireccional de la corriente Líneas subterráneas y submarinas. Los últimos cables HVDC desarrollados tienen capacidades entorno a los 800 MW y una tensión de 500 kv, utilizando aislamientos tanto extruido como de papel impregnado. Existen diferentes tecnologías disponibles en cables para CD, algunas de ellas comunes a las existentes en CA. CABLE DE PAPEL IMPREGNADO (MI, MASS IMPREGNATED). Está formado por un conductor central de cobre laminado cubierto por capas de papel impregnado en aceite y resinas. A continuación, el cable es cubierto por unas capas de polietileno extruido y acero galvanizado que lo protege contra la corrosión y contra las deformaciones mecánicas durante su funcionamiento. También suele reforzarse con una capa de acero y/o plomo. Es el único cable instalado a una profundidad de 1000 m. Está disponible para tensiones de hasta 500kV y potencias de 800 MW. Su capacidad está limitada por la temperatura que puede alcanzar el conductor, pero no tiene limitada su 151

161 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa longitud. CABLE DE ACEITE (OF, OIL FILLED). Este tipo de cables es similar al MI, pero utiliza un papel impregnado de menor densidad y un conducto longitudinal en el eje del conductor, para el aceite refrigerante. Este conductor también alcanza grandes profundidades, pero su longitud está limitada a unos 100 km debido a la necesidad de hacer circular el líquido refrigerante a lo largo del cable (estaciones de bombeo). Además, el riesgo de fugas hace que sea cuestionado medio ambientalmente. Figura 5.24 Cable MI y cable OF. CABLE XLPE (CROSS-LINKED POLIETHYLENE). Este cable utiliza como aislante un polímero extruido, resultando un cable con aislamiento seco. Este material permite una temperatura de trabajo de 90 C y una de cortocircuito de hasta 250 C. Actualmente se utiliza en conexiones HVDC con generación o consumos en alta mar, como aerogeneradores o estaciones petrolíferas. CABLE PPLP (POLYPROPYLENE LAMINATED PAPER). Utiliza un aislamiento formado por capas de papel y polipropileno laminado con objeto de reducir las pérdidas dieléctricas. Se utiliza en HVDC debido a su comportamiento térmico y su aislamiento, superiores a los del papel impregnado, que resultan en una mayor capacidad de transporte. Es débil, ante cambio de polaridad en la tensión. 152

162 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa EXTRUIDO PARA VSC. Esta tecnología aparece con el objetivo de superar las limitaciones de los cables extruidos existentes en HVDC convencional. Estos nuevos cables plásticos combinan gran capacidad para trabajos a altas tensiones en CD (100 kv) con un bajo peso (1 kg/m) y potencias elevadas (mayor de 30 MW). Figura 5.25 A la izquierda, cable XLPE trifásico y monofásico. En el centro, cable PPLP. A la derecha, cable extruido VSC. 5.6 Ventajas y desventajas con respecto a la transmisión en CA. 1. La potencia de CD se puede controlar con mucha más rapidez. Por ejemplo, la potencia en el rango de megawatts puede ser invertida en una línea de CD en menos de un segundo. Esta característica hace que sea útil operar líneas de transmisión de CD en paralelo con redes de CA existentes. Cuando está a punto de ocurrir una inestabilidad (debido a una perturbación en el sistema de CA), la amplitud de la potencia de CD se puede cambiar para contrarrestar y amortiguar las oscilaciones de potencia. Control rápido de potencia también significa que las corrientes directas de cortocircuito pueden ser limitadas a valores mucho más bajos que las encontradas en redes de CA. 2. La potencia de CD se puede transmitir a través de cables a largas distancias. La capacitancia de un cable limita la transmisión de potencia 153

163 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa de CA a unas cuantas decenas de kilómetros. Más allá de este límite, la potencia reactiva generada por la capacitancia del cable excede la capacidad del cable mismo. Como la capacitancia no interviene en condiciones de CD constantes, teóricamente no existe límite para la distancia a la que se puede transportar la potencia de esta manera. Por consiguiente, la potencia puede ser transmitida por cable debajo de grandes extensiones de agua, donde el uso de cables de CA es impensable. Además, los cables de CD subterráneos pueden ser utilizados para suministrar potencia a grandes centros urbanos. A diferencia de las líneas elevadas, los cables subterráneos son invisibles, están libres de la contaminación atmosférica y resuelven el problema del aseguramiento de derechos de vía. La transmisión HVDC es más eficiente para la transferencia masiva de potencia a largas distancias (por ejemplo, más de 600 1,000 km) con líneas aéreas. Los sistemas HVDC tienen una capacidad de transporte entre 2 y 5 veces la de una línea de CA de voltaje similar (Fig. 5.26). Figura 5.26 Las líneas HVDC tienen menos pérdidas por transmisión a larga distancia que las líneas HVAC. 154

164 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa 3. La potencia de CA sólo se puede transmitir entre centros que operan a la misma frecuencia. Además, la potencia transmitida depende de la reactancia de la línea y del ángulo de fase entre los voltajes en cada extremo de la línea. Pero cuando la potencia es transmitida por CD, las frecuencias y los ángulos de fase no figuran y la reactancia de línea no limita el flujo de potencia constante. En todo caso, es sólo la resistencia de la línea la que limita el flujo. Esto también significa que la potencia puede ser transmitida a grandes distancias por medio de CD. Sin embargo, éste es un beneficio mínimo porque ya se están transportando grandes bloques de potencia de CA a distancias de más de 1,000 km. 4. Las líneas de transmisión de CD elevadas se vuelven económicamente competitivas con las líneas de CA, cuando la longitud de la línea es de varios cientos de kilómetros. El ancho del corredor de potencia es menor, y la experiencia a la fecha ha demostrado que las fallas de corriente provocadas por descargas atmosféricas se reducen un poco. Por consiguiente, se están utilizando líneas de transmisión de CD para transportar potencia directamente de una planta de generación localizada cerca de una mina de carbón o cascada, al centro de carga. 5. En el extremo opuesto de gran distancia se encuentran los convertidores espalda con espalda, los cuales interconectan grandes sistemas de CA adyacentes con una línea de transmisión de CD que mide unos cuantos metros de largo. 155

165 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa Los convertidores espalda con espalda permiten que los dos sistemas operen a sus frecuencias y ángulos de fase respectivos. Como resultado, las perturbaciones en un sistema no tienden a desestabilizar el otro sistema. Además, el flujo de potencia entre los sistemas puede ser modificado e incluso invertido en cuestión de milisegundos (mucho más rápido que en un sistema de CA). A diferencia de las líneas de transmisión de CA, no es fácil tomar potencia en diferentes puntos a lo largo de la línea de CD. De hecho, por lo general las líneas de CD son sistemas de punto a punto, típicamente de una gran planta de generación a un gran centro de consumo de energía. Se instalan convertidores electrónicos en cada extremo de la línea de transmisión, pero ninguno intermedio. Sin embargo, si es necesario se pueden realizar arreglos multiterminales para derivar circuitos, como es el caso de Radisson, cerca de James Bay, para suministrar potencia a Nueva Inglaterra y otros tres puntos en Quebec. Figura 5.27 Análisis técnico-económico, HVCD vs HVAC. La figura 5.28 muestra el ahorro económico de la transmisión de potencia en HVDC contra HVAC, comparando el voltaje transmitido a 765 KV en CA,

166 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa KV en CD y 800 KV en CD, permitiendo observar el derecho de vía (en metros) que conlleva la transmisión en CA y CD tomando como parámetro un voltaje similar, así como los costos por cada estación y número de líneas al igual que sus pérdidas. Figura 5.28 Análisis técnico-económico, HVCD vs HVAC. 5.7 Avances y tendencias en el uso de sistemas HVDC. La transmisión de potencia mediante corriente directa se utiliza en muchas partes del mundo. Las siguientes instalaciones dan al lector una idea de los diversos tipos de sistemas que se han construido en el transcurso de los años y el problema particular para cuya solución fueron diseñados. 1. Schenectady. De interés histórico es la línea de transmisión de 17 millas, 5.25 MW y 30 kv instalada entre Mechanicville y Schenectady, Nueva York, en Con convertidores de arco de mercurio, vinculó un sistema de 40 y 60 Hz. 2. Gotland. La primera línea de transmisión de CD importante fue instalada en Suecia, en Conectó la isla de Gotland (en medio del mar Báltico) con el continente por medio de un cable submarino de 96 km. El cable de un solo conductor opera a 100 kv y transmite 20 MW. La corriente dirigida a tierra regresa por el mar. 157

167 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa 3. Canal Inglés. En 1961 se tendió un enlace submarino bipolar en el Canal Inglés entre Inglaterra y Francia. Dos cables, uno operando a +100 kv y el otro a -100 kv, tendidos uno al lado del otro, transportan 160 MW de potencia en una dirección o la otra. Resultó que el intercambio de potencia entre los dos países era económico porque las zonas horarias son diferentes, así que los picos del sistema no ocurren al mismo tiempo. Además, durante la primavera, Francia tiene un excedente en su capacidad de generación hidroeléctrica, lo que hace atractiva la exportación de potencia. 4. Pacific Intertie. En 1970 se instaló un enlace bipolar que opera a ±400 kv entre The Dalles, Oregon, y Los Ángeles, California. La línea elevada transmite un total de 1440 MW a una distancia de 1370 km. Se puede hacer que fluya potencia en ambas direcciones, según los requerimientos de las respectivas regiones NO y SO. El enlace de CD también ayuda a estabilizar el sistema de transmisión de CA trifásico que conecta las dos regiones. 5. Río Nelson. La potencia hidroeléctrica generada por el Río Nelson, situado a 890 km al norte de Winnipeg, Canadá, es transmitida por medio de dos líneas bipolares que operan a ±450 kv. Cada línea bipolar transporta 1620 MW, los cuales son convertidos y alimentados al sistema de CA cerca de Winnipeg. De acuerdo con estudios realizados, era un poco más económico transmitir potencia por medio de CD que por medio de ca a lo largo de esta considerable distancia. 6. Río Eel. La estación espalda con espalda en el río Eel, Canadá, constituye un interenlace asíncrono entre los sistemas eléctricos de

168 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa kv de Quebec y Nueva Brunswick. Aunque ambos sistemas operan a una frecuencia nominal de 60 Hz, no fue factible conectarlos directamente, debido a cuestiones de estabilidad. En esta aplicación, la línea de transmisión de CD es de sólo unos cuantos metros de largo, es decir, la longitud de los conductores que conectan los rectificadores e inversores. La potencia puede fluir en ambas direcciones, hasta un máximo de 320 MW. Figura 5.29 Esta estación de convertidor y playa de distribución en el río Eel conecta las redes de ca de Québec y Nueva Brunswick por medio de un enlace de CD. El rectificador y el inversor están alojados en el edificio grande en el centro. Utilizó por primera vez tiristores transistorizados en aplicaciones HVCD. 7. Proyecto CU. La salida de potencia de una planta de generación situada junto a las minas de carbón lignítico cerca de Underwood, Dakota del Norte, es convertida en CD y transmitida a 436 millas en dirección este hasta una terminal cerca de Minneápolis, Minnesota, donde es reconvertida en CA. La línea bipolar transmite 1000 MW a ±400 kv y 1250 A. Se dispone de un regreso a tierra metálico en caso de que una línea quede fuera de servicio durante un periodo prolongado (vea la figura 5.30). 159

169 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa Figura 5.30 Diagrama esquemático simplificado del sistema de transmisión HVCD bipolar que enlaza la terminal de Coal Creek en Dakota del Norte con la terminal Dickinson en Minnesota. En la figura 5.30 la línea de ±400 kv suministra 1000 MW a una distancia de 702 km. La salida de los turboalternadores de 500 MW se eleva a 230 kv y se transmite a la terminal de Coal Creek, donde la potencia de ca es convertida en CD. Los transformadores convertidores de cambio de tomas con carga TCD están conectados en Y-Y y delta-y para operación de conversión de 12 pulsos. Los inductores alisadores de 0.4 H están en serie con las líneas conectadas a tierra, con lo cual se reducen significativamente los requerimientos de aislamiento. Los filtros de CD FCD, cada uno compuesto de un inductor de 48.8 mh en serie con un banco de capacitores de 1 μf, impiden que el 12o. voltaje armónico entre a las líneas de CD. Las líneas de transmisión positivas y negativas constan de dos haces de conductores (2 x 1590 MCM, ACSR). Las tierras de CD están situadas a 10.3 km y 20 km de las terminales respectivas. En condiciones normales las corrientes de línea son controladas automáticamente de modo que la corriente a tierra sea de 20 A o menos. La estación de inversor de 12 pulsos (terminal de Dickinson) suministra al sistema 345 kv, 60 Hz y los transformadores convertidores de cambio de tomas TD se utilizan para regular el nivel del voltaje del inversor. 8. Subestación de Châteauguay. La subestación de Châteauguay, localizada cerca de Montreal, es una estación de convertidor espalda 160

170 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa con espalda con capacidad de 1000 MW (Figura 5.31). Para asegurar una alta confiabilidad, se compone de dos pasillos de válvulas independientes, cada uno con capacidad de 500 MW. Por lo general, la potencia fluye del sistema de CA de 735 kv de Hydro- Québec al sistema de CA de 765 kv en el estado de Nueva York. Debido al enlace rectificador/ inversor, los cambios de frecuencia en un sistema no afectan al otro. Además, se puede invertir la dirección del flujo de potencia, dependiendo de las circunstancias. Los tiristores son enfriados con agua desionizada, mediante un elaborado intercambiador de calor de agua/glicol/aire. Figura 5.31 Vista de un convertidor de CD espalda con espalda de 500 MW, 140 kv y 3600 A en la subestación de Châteauguay. Consta de 6 válvulas cuádruples. Las tres válvulas del lado derecho generalmente operan como rectificadores y las tres del lado izquierdo como inversores. El pasillo de válvulas mide 17.5 m de ancho y 18 m de altura. Figura 5.32 Proyectos de la empresa SNC-LAVALIN, de sistemas HVCD en diferentes continentes. 161

171 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa Interconexión de Egipto-Arabia Saudita. Características del proyecto: Costo del capital: $ 1.5 billones km de la línea bipolar de ±500 kv, 3000 MW. Tres estaciones convertidoras multiterminales: 3000 MW en Badr y Madinah, 1500 MW en Tabuk. 25 km de cable submarino de 500 kv HVCD. Retos del proyecto: Sistema muy débil en la terminal de Tabuk. Posibilidad de resonancia en varias frecuencias armónicas. Alta variación entre carga mínima y carga máxima del sistema. Aislamiento de línea difícil debido a las condiciones climáticas Investigación de electrodos. Varias restricciones sobre el cruce submarino Interconexión GCD. Características del proyecto: Interconexión de Kuwait, Arabia Saudita, Bahrain y Catar. 800 km de línea de doble circuito de 400 kv. Tres estaciones HVCD back to back de 600 MW. 40 km de cable submarino de 400 kv AC. Subestaciones GIS de 400 kv. Figura 5.33 Interconexión Egipto- Arabia Saudita. 162

172 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa Centro de control de la interconexión. Retos del proyecto: Primer centro de control automatico de reserva primaria en el mundo. Interconexión de seis países. Sistema débil de un lado. Problemas para la instalación del cable submarino. Figura 5.34 Interconexión GCD HVDC 2000 A fines de la década de los noventa, ABB lanzó un paquete llamado HVDC Las partes más importantes de éste son: CDC - Conversora Conmutada por Capacitores. Filtros con reactor ConTune. Filtros activos de corriente directa. Sistema de control MACH2. Válvulas modulares de exterior. Las conversoras conmutadas por capacitores, CDC, son especialmente atractivas cuando las redes de alterna, donde se va a conectar la estación conversora, son débiles, es decir, con relación de cortocircuito menor a 2. El hecho de tener un capacitor en serie entre el transformador y las válvulas de tiristores hace que el conversor tolere fluctuaciones de voltaje en el lado de 163

173 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa alterna. Figura 5.35 Banco de capacitores de CDC. El hecho de conectar en serie parte de la capacitancia necesaria para la operación del convertidor permite el uso de filtros continuamente sintonizados, ConTune. Los filtros de corriente alterna con reactores ConTune requieren menor parte pasiva, ahorrando de ésta manera espacio y costos. Los filtros activos de corriente directa están compuestos por una parte pasiva (mínima) y una parte activa. El principio de funcionamiento se basa en tomar muestras de los armónicos del lado de corriente continua, amplificarlos, ponerlos en contrafase y volver a inyectarlos en el sistema. De ésta manera se obtiene un filtrado efectivo con un filtro pasivo reducido. Cuando los requerimientos de filtrado de armónicos del lado de directa son elevados el costo de filtros pasivos aumenta en forma exponencial y el correspondiente a los filtros activo es lineal y mucho menor. El sistema de control, MACH2, fue específicamente desarrollado para aplicaciones de HVDC FACTS. Está basado en computadoras estándar con encapsulado industrial y plataforma Microsoft, lo que lo hace muy flexible y funcional. El sistema de control MACH2 ya ha sido implementado en más de 20 proyectos de HVDC y FACTS. Las válvulas de exterior aisladas en aire fueron desarrolladas para acortar los tiempos de entrega y minimizar la obra civil. Las válvulas de tiristores son encapsuladas en contenedores que puede ser transportado por medios 164

174 5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa normales. Las válvulas son probadas con las normas aplicables antes de ser enviadas al lugar de instalación. Proyectos donde se han implementado las soluciones HVDC 2000 son, la interconexión Brasil-Argentina de 2 x 1000 MW, Rapid City CD Tie de 2 x 100 MW, el enlace con cable submarino entre Polonia y Suecia Swepol de 600 MW. Figura 5.36 Sistema de control MACH

175 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos 6 SISTEMAS DE CD EN VEHÍCULOS ELÉCTRICOS. El automóvil eléctrico se presenta en las últimas décadas como la alternativa de futuro en cuanto a transporte urbano se refiere. Las comparaciones que se realizan con su inmediato competidor, el automóvil de combustión, se inclinan siempre hacia el lado de estos últimos por razones económicas, y referentes a la infraestructura. A pesar de ellos, su desarrollo e investigación está más que justificado. Las grandes compañías de automóviles siguen trabajando en el automóvil eléctrico como alternativa a los problemas derivados de los automóviles actuales. El automóvil eléctrico posee innumerables beneficios en lo que a tráfico en grandes ciudades se refiere, trae consigo además una disminución considerable del consumo energético y sobretodo trae como consecuencia la disminución de la contaminación medioambiental en las grandes ciudades. En los últimos años, los vehículos eléctricos han de dejado de ser considerados una quimera para convertirse en una prometedora realidad. A finales de 2010, alrededor de treinta modelos de este tipo de vehículos estaban listos para circular por las calles y carreteras de diversos países, y las expectativas son que esta cifra se incremente hasta cerca de setenta modelos para finales del Sin duda, todavía es demasiado pronto para conocer el nivel de demanda de estos vehículos, aunque los de gama alta parecen haber experimentado una fuerte demanda en los últimos meses y en algunos países ya existen listas de espera para su compra. En términos de rendimiento global, el sistema de generación de energía, almacenamiento y propulsión del vehículo eléctrico es mucho más eficiente que el del motor térmico. Sin embargo, desde la perspectiva del ciudadano, el precio del vehículo eléctrico sigue siendo demasiado elevado en comparación con el de uno 166

176 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos térmico de la misma gama, incluso puede llegar a duplicarlo. Aunque el coste de la energía puede ser hasta tres o cuatro veces inferior al de combustión, y que en pocos años el ahorro energético permita amortizar buena parte de dicho sobrecoste, el ciudadano suele basar su decisión en el precio inicial. Son muchas las marcas que ya están comercializando o están a punto de lanzar al mercado vehículos eléctricos, con autonomías de 160 kilómetros nominales, pero hay que acelerar la implantación de infraestructuras de recarga que faciliten el uso, y por consiguiente, promuevan su elección, por parte de los ciudadanos. Figura 6.1 Beneficios del vehículo eléctrico. 6.1 Tipos vehículos eléctricos. La figura 6.2 muestra los 3 tipos de automóviles eléctricos y que se están desarrollando en la actualidad, el HEV vehículo eléctrico hibrido, PHEV vehículo eléctrico hibrido enchufable y el BEV vehículo eléctrico de batería. Figura 6.2 Tipos de automóviles eléctricos. 167

177 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos Híbridos. Un vehículos hibrido consta de 2 sistemas de almacenamiento de energía, un depósito de combustible, una batería eléctrica, una doble motorización, térmica y eléctrica, de manera que mueven el vehículo de manera individual o conjunta. Podemos destacar 3 tipos principales: 1. HEV: Son los únicos que actualmente ruedan por las calles y carreteras del mundo y que contienen 2 motores, uno de combustión interna (gasolina o gas-oil) y otro eléctrico. Empezaron siendo híbridos ligeros, es decir, añadiendo un motor eléctrico al vehículo existente, el cual ayuda al motor de combustión y economiza combustible y contamina menos. De ahí se pasó al hibrido completo, en el que los dos motores se complementan funcionando ambos y mediante una centralita de control se distribuye el funcionamiento y potencia de cada motor, según las circunstancias. Estos automóviles son más ecológicos que los de un solo motor de combustión interna ya que, al poseer un motor eléctrico, emiten menos gases contaminantes. También consumen menos gasolina por la misma razón. 2. Híbridos enchufables: Plug-in Hybrid o PHEV, parecidos a los eléctricos puros, pues la batería de ion litio se recarga en cualquier toma de corriente mediante un enchufe. La autonomía puede llegar a ser similar a la de un coche eléctrico y si se hace un uso urbano bastara con cargarlos por las noches. Pero el motor térmico garantiza el no quedarse tirado. Un ejemplo es el Toyota Prius enchufable. 168

178 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos 3. Híbridos de autonomía extendida, ERHEV (Extended Range Hybrid Electric Vehicle): los cuales tienen las características de que las ruedas se mueven únicamente por acción del motor eléctrico. Disponen de un pequeño motor de combustión interna para cargar la batería, en general de ion litio. Consiguen una pequeña autonomía de 60 o 90 km funcionando solo con la batería, pero dicha autonomía se extiende hasta 500 o 600 km gracias a un pequeño motor de gasolina o diésel, el cual no mueve el coche, sino que se utiliza para cargar la batería. Un ejemplo de estos es el Opel Ampera. Figura 6.3 Automóvil hibrido, Opel Ampera Eléctricos. En el año 1997, General Motors lanzo un coche totalmente eléctrico, el EV-1, a instancias legales del gobierno de California, que quería conseguir en 10 años que un 2 % de los automóviles fueran eléctricos. Diez años después el proyecto había muerto y todos los automóviles se habían retirado (hay que tener en cuenta que únicamente están disponibles en alquiler). Sin embargo, hoy en día prácticamente todos los fabricantes de automóviles tienen en marcha un proyecto de coche eléctrico: Renault, Nissan, Honda, Mercedes, BMW, Mitsubishi, Subaru, Chevrolet, Dodge, Toyota, etc. Se han sumado nuevos fabricantes de automóviles con proyectos de automóviles exclusivamente eléctricos, como son: Think, Tesla, Pininfarina/Bollore, etc. De manera breve, se presentan las ventajas y los inconvenientes de los 169

179 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos automóviles eléctricos comparados con los de combustión interna. VENTAJAS. Más fáciles de fabricar: menos componentes y sistemas. Más barato, cuando la producción sea en grandes cantidades. 1,2, 3 o 4 motores (en las ruedas). Transmisiones más ligeras y eficientes. Incluso algunos modelos sin ellas. Las fábricas y los talleres limpios. Consumo mucho menor: del 20 al 30 % en relación a uno actual equivalente. Menores costos de mantenimiento. Silenciosos. Más fáciles de conducir. Motores: o Par motor elevado y prácticamente constante. o Rendimiento elevado: eficiencia del %. o Recuperando energía al frenar y desacelerar. o No necesitan funcionar al ralentí (star-stop). o Tamaño y peso más reducido. INCONVENIENTES. Baterías grandes y pesadas. Necesario control de las mismas. Menor velocidad de punta. Menor autonomía. Necesidad de red-infraestructura de recarga. Cambio de entorno industrial. o Electricidad frente al petróleo. o Industria auxiliar y talleres. 170

180 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos 6.2 Componentes. Figura 6.4 Componentes principales de un vehículo eléctrico. Los vehículos 100 % eléctricos, están constituidos por un chasis, uno o varios motores, una gran batería, una centralita electrónica y los sistemas necesarios de suspensión, frenos, neumáticos y seguridad de confort similares a los demás automóviles. Pero se suprime el motor térmico, con su innumerable número de componentes (cilindros, bielas, válvulas, etc.), los sistemas de distribución, alimentación, escape, caja de cambios, etc. y por ende, todo lo referente a los sistemas de engrase por aceite, con su consiguiente ventaja de limpieza. Esto va a suponer un gran cambio en la industria del automóvil, tanto en la fabricación de automóviles como en la industria auxiliar. Al ser vehículos totalmente silenciosos y no escucharse más que un leve sonido de rodadura de los neumáticos, será necesario desarrollar sistemas de aviso de paso diferentes a los actuales. Qué tiene un automóvil con motor de combustión interna, que no tenga uno eléctrico: Motor térmico, pistones, bielas, cigüeñal, árbol de levas, válvulas, etc. Sistema de engrase por aceite, bomba, etc. Embrague. Caja de cambios, con múltiples engranajes, etc. automáticas en muchos casos. 171

181 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos Sistema de encendido, bujías, etc. Sistemas de distribución, bandas, etc. Sistemas de refrigeración del motor, ventilador, bomba de agua, etc. Dinamo o alternador. Sistemas de escape, tubos, etc. Qué tiene un automóvil eléctrico que no tenga uno de combustión interna: Una gran batería de ion-litio o similar, aunque el de combustión interna tiene una pequeña batería de ácido. Una compleja central de electrónica, aunque el de combustión interna también tiene una, pero mucho más simple. Qué tienen ambos: Sistema de frenado. Suspensión. Dirección. Aire acondicionado. Calefacción: hay que tener en cuenta que al depender de la refrigeración del motor de combustión interna, el cual no existe en los eléctricos, exige posiblemente unas resistencias eléctricas, con el gran consumo que eso conlleva, aunque los eléctricos necesitan refrigerar las baterías. Sistemas de luces, limpieza de parabrisas, etc. Sistemas de seguridad como cinturones de seguridad, ABS, ESP, etc. Las características de un coche eléctrico se basan en sus 2 componentes principales: motor y batería. Por ello, podemos destacar que un coche eléctrico tiene un aceración muy buena, debido a que un motor eléctrico proporciona un par constante y por lo tanto el par máximo desde el arranque. Por ejemplo el TESLA Roadster anuncia entre sus características una aceleración de 0 a 100 km/h en menos de 4 segundos. Esta misma característica de motores de par constante hace que los automóviles eléctricos, sean en principio, buenos escaladores, es decir, las pendientes no son un 172

182 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos problema. Lo que si hay que tener en cuenta, es que la autonomía depende del esfuerzo a que se somete el vehículo. Así, la autonomía teórica disminuirá si se utiliza sometiéndole a grandes esfuerzos, como muchas pendientes, altas velocidades u otras condiciones extremas. De hecho la mayoría de los automóviles, aun pudiendo alcanzar velocidades más altas salen con su velocidad máxima limitada a 120, 130 o 140 km/h lo cual, dadas las limitaciones actuales de las carreteras no debe suponer un problemas para la mayoría de los conductores. No obstante, hay automóviles como el mismo ejemplo anterior del TESLA Roadster que desarrollaran una velocidad máxima de 200 km/h. El LIGHTNING es un automóvil deportivo inglés, que promete una velocidad máxima de más de 210 km/h y una aceleración de 0 a 100 km/h en menos de 5 seg. Automóviles como este último equipan características estándar tales como: Antibloqueo de frenos (ABS). Control de tracción. Frenos regenerativos (carga de la batería al frenar). Puertas eléctricas. Bloqueo central de puerta. Alarma e inmovilizador del coche. Ventanillas eléctricas. Tapicería parcial de cuero. Cristales tintados. Sistemas de recarga en hogar con dispositivo de seguridad integral (EVCS). Faros de halógeno Hella. Luces leds en partes delanteras, traseras y laterales. 173

183 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos Colores: azul, negro y plata. Lo que demuestra que los automóviles eléctricos no tienen prácticamente limitaciones en cuanto a dispositivos o sistemas de seguridad y de comodidad. Figura 6.5 Vehículo eléctrico, LIGHTNING Componentes principales. La cantidad de energía que puede ser almacenada en las baterías de un vehículo eléctrico, se encuentra mucho más limitada que la que puede ser almacenada, en forma de combustible líquido, en un VCI. Se hace, pues, necesaria una atención especial a este hecho, de forma que este pequeño volumen de energía pueda aprovecharse de manera óptima, consiguiendo unas autonomías aceptables. Una menor fuerza de rodadura, por ejemplo, se traduciría en un mayor aprovechamiento de la energía disponible por el vehículo y un menor consumo. Esta fuerza de rodadura depende de diversos factores: Masa del vehículo a plena carga. Aceleración. Coeficientes de rozamiento estático y dinámico. Velocidad. Inclinación del terreno sobre el que circula el vehículo. Superficie frontal del vehículo. Coeficiente de penetración aerodinámico. Algunos de estos factores se encuentran estrechamente relacionados con la forma física del vehículo. Así, la resistencia al avance podría disminuirse 174

184 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos actuando directamente sobre ella, de manera que se consiguieran: Carrocerías y chasis más ligeros. Una menor influencia del rozamiento aerodinámico sobre la carrocería. Una reducción de la resistencia a la rodadura de los neumáticos. Conseguir una menor resistencia aerodinámica no es demasiado viable, al menos para un tipo de conducción urbana, pero si será importante lograr un buen rendimiento de rodadura, así como una reducción considerable el peso del vehículo. ELEMENTOS RODANTES (RUEDAS). Las ruedas constituyen la masa no suspendida de un vehículo, es decir, el punto de apoyo del automóvil sobre el suelo. Sus pequeñas zonas de contacto con el piso soportan el peso del coche y de su carga, lo sujetan al suelo para resistir esfuerzos laterales y absorben las vibraciones que las pequeñas desigualdades del terreno causarían al automóvil, a la vez que transmiten la fuerza del motor en el avance y la de los frenos en las paradas. En los automóviles se utilizan ruedas neumáticas, llamadas así porque contienen aire a presión, gracias al cual la rueda es capaz de soportar el peso que gravita sobre ella. Desde el punto de vista de la construcción de un automóvil eléctrico, los neumáticos utilizados, será el factor principal, sobre el que se deberá actuar, para disminuir los rozamientos generados por el suelo, y que se traducen en unas pérdidas que afectan de una manera muy negativa a las prestaciones del vehículo. Los automóviles eléctricos pueden hacer uso de neumáticos de alta presión, especialmente diseñados, y que presentan, aproximadamente, la mitad de la resistencia a la rodadura que los convencionales. Al igual en vehículo eléctrico, se pueden utilizar neumáticos un poco más estrechos que los normales. 175

185 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos CHASIS Y CARROCERÍA. El chasis y la carrocería de un vehículo constituyen su masa suspendida, es decir, la que no tiene contacto directo con el suelo o superficie de rodaje. El chasis o bastidor es el armazón sobre el que se monta y sujetan todos los mecanismos, soportando el peso de unos y quedando otros colgados de él. La carrocería está unida al chasis y se destina al transporte de pasajeros o carga. Estos dos, influyen de forma directa en el consumo de energía del vehículo, pues constituye una carga estática (peso) y además, está sometido al rozamiento con el aire en la marcha. El diseño de chasis y carrocería se encamina en una misma dirección tanto en el caso de VCI como de VE, con un objetivo común: conseguir vehículos más seguros, menos pesados y que opongan una menor resistencia al avance (mejor aerodinámica). Para los VE, se trata de una cuestión vital que le ayudaría superar algunas de sus desventajas: falta de seguridad asociada a los vehículos de dimensiones reducidas y la insuficiente autonomía, que se vería potenciada con un menor consumo. Además de tratar de conseguir un vehículo de líneas agradables, se evalúan una serie de parámetros que influirán de manera directa en sus futuras prestaciones: seguridad, aerodinámica y peso. a) SEGURIDAD. El chasis deberá reunir dos características antagónicas: por una parte, deberá ser lo suficientemente rígido como para proteger a quienes van en su interior en caso de choque, y por otra, deberá ser blando para deformarse y absorber de este modo, la energía que se libera en caso de impacto. En el caso del VE, debido a su uso típicamente urbano, y en consecuencia, a sus reducidas dimensiones, no hay espacio suficiente para disponer de unas zonas deformables convenientemente resueltas, por lo que se debe prestar 176

186 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos mucha más atención a conseguir una estructura en anillo lo suficientemente segura para que los ocupantes sufran, en menor grado las consecuencias de un impacto. El reducido tamaño de un vehículo eléctrico, no es el único inconveniente que presenta en cuanto a seguridad. También hay que tener en cuenta su peso. Esto hace que, en un choque real, un vehículo ligero se situé en clara desventaja ante un pesado. Así, al estudiar las características de seguridad que deberá cumplir un VE, será necesario analizar su comportamiento en relación con otros automóviles. b) AERODINÁMICA. Las carrocerías se diseñan y construyen de manera que el vehículo ofrezca la mínima resistencia al avance, resultando ideal la forma de gota de agua, es decir, vehículos bajos y alargados. Sin embargo, en ambientes urbanos, se requieren vehículos cortos, incluso algo altos, para dar sensación de mayor espacio interior. c) PESO. La forma más directa de reducir el consumo de energía de un VE, actuando sobre su estructura física, es reducir su peso. Para ello podemos ayudarnos de nuevos materiales alternativos al acero, que se encuentran en desarrollo. ALUMINIO. El uso de aluminio en múltiples componentes del automóvil, y sobre todo, en la construcción de carrocerías. Las principales ventajas que aporta son una notable reducción de peso (que podría ser de hasta el 50 por 100), además una rigidez y absorción de impactos muy superior al acero. Los inconvenientes que presenta son el costo y el proceso de ensamblaje y reparación bastante más complejo. COMPOSITES. Se trata de plásticos reforzados con distintos tipos de fibras que forman un entramado capaz de mantenerse en su lugar pese a sufrir grandes esfuerzos. Las fibras que se obtienen presentan alta resistencia al 177

187 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos impacto. En ahorro de peso, puede llegar a un 20 por 100. Sin embargo, su adaptación a los procesos en serie resulta bastante difícil, sobre todo porque implica un cambio en la cultura de fabricación: se pasa del estampado de acero y soldadura, a la moldura e integración de todo un conjunto por medios adhesivos. ACERO. La industria del acero ha respondido con el proyecto, Ultra Light Steel Body. Utilizando avanzados métodos de análisis, construcción y unión de las distintas partes que componen el cuerpo de un automóvil, han demostrado que el peso de una carrocería puede reducirse hasta en un 35 por 100. No solo los materiales a utilizar, también la forma de cada elemento y del conjunto del vehículo se estudian a consciencia para tratar de lograr la reducción del peso. CÁLCULO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DEL VE. El par que debe transmitir a las ruedas debe ser el adecuado para vencer las resistencias opuestas al desplazamiento (par de rodadura) y a la vez, proporcionar aceleración que se pretenda lograr (par de aceleración). Además también debe ser capaz de hacer frente a ciertos casos particulares, como la superación de obstáculos o una pendiente. PAR EN EL EJE (RUEDA) = PAR DE RODADURA + PAR DE ACELERACIÓN + PAR DE CASOS PARTICULARES a) PAR DE RODADURA. El par de rodadura (Trod) es el requerido para mantener el movimiento del vehículo. Para ello se necesitan vencer tanto la resistencia debida al contacto entre las ruedas y el piso sobre el que se avanza (representada por el par de fricción) como la ofrecida por los flujos de aire que rodean al vehículo 178

188 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos (representada por el par aerodinámico). PAR DE FRICCIÓN (Tf). La fuerza de fricción (Ff) es una fuerza horizontal que se opone a la marcha del vehículo y que es debida, básicamente, a la resistencia a la rodadura que presentan los neumáticos, ocasionado por las pérdidas de histéresis en el material. Incluye también aspectos como el estado del piso sobre el que se avanza, el peso que soportan las ruedas y las condiciones de conducción. PAR AERODINÁMICO (Taer). El par aerodinámico se crea por la acción de una fuerza de resistencia aerodinámica (Faer), que afecta a todos los vehículos que se mueven bajo la atmosfera. Esta fuerza se opone siempre al avance del vehículo, y se hace más importante a medida que se incrementa la velocidad, pues aumento al cuadrado de ella. El par de rodadura lo conseguimos sumando los dos anteriores: PAR DE RODADURA = PAR DE FRICDIÓN + PAR AERODINÁMICO b) PAR DE ACELERACIÓN. El par de aceleración (Tacel) es el necesario para alcanzar la velocidad requerida. Para conseguirlo se necesita, por una parte, vencer la inercia de las masas rodantes y, por otra, disponer de un par suficientemente capaz de acelerar la masa del vehículo. El par de aceleración lo conseguimos sumando: PAR DE ACELERACIÓN = PAR INERCIAL RUEDAS + PAR ACELERADOR MASA VEHÍCULO c) PAR CASOS PARTICULARES. PAR DE SUPERACIÓN DE PENDIENTES (Tp). Cuando el vehículo se encuentra sobre una pendiente, el hecho de que la fuerza del peso no sea perpendicular al terreno, hace que aparezca un componente de esta fuerza en 179

189 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos la misma dirección del avance, que llamada Fp. PAR DE SUPERACIÓN DE OBSTÁCULOS EN UNA RUEDA (Tobs). Cuando el vehículo debe superar un obstáculo, por ejemplo, subir un bordillo, se necesita un aporte de par extra, debido a la distancia existente entre el punto de apoyo en el bordillo, sobre el que va a rotar la rueda, y el punto de aplicación de la fuerza de reacción del peso sobre el suelo, es decir, la componente normal. DIMENSIONAMIENTO DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO. A continuación, se enumeran una serie de pasos, ordenados de manera lógica, que pueden seguirse a la hora de plantear un diseño de vehículo, concretamente de VE: 1. Establecer una base teórica que nos permita realizar una serie de cálculos previos. Dependiendo del uso que queramos dar a nuestro VE, deberemos estimar algunas de sus características, así como de las prestaciones exigidas. Podemos citar: Peso estimado. Autonomía deseada. 2. Dimensionamiento de la cadena de tracción: En par: cálculo de los pares máximos a desarrollar en las ruedas motrices. En potencia: potencias máximas a aplicar a las ruedas. 3. Establecer la potencia necesaria del motor y, según la autonomía deseada, podremos conocer la capacidad necesaria de las baterías. 4. Una vez conocidos los requerimientos de la cadena de tracción, elegiremos e instalaremos los elementos que la componen: Conjunto motor-convertidor de potencia. Baterías. Neumáticos. Cargador de baterías. Frenos. 180

190 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos Otros. Se debe tener en cuenta, a la hora de componer la cadena de tracción, que es interesante conseguir un reparto equilibrado de las masas. 6.3 Sistema eléctrico del vehículo. La principal diferencia entre un vehículo eléctrico y un vehículo de combustión interna, se encuentra en que el sistema propulsor del primero es eléctrico. Este hecho trae consigo la instalación de todo un sistema eléctrico en el interior del vehículo, que incluye: Motor de tracción. Convertidor de potencia, asociado al motor y que puede ofrecer posibilidad de frenado regenerativo. Sistema de almacenaje energético. El más usual es el basado en baterías eléctricas, pero existen otros procedimientos que pueden resultar igualmente viables. A diferencia de un vehículo de combustión interna, la energía de tracción necesaria para dotar a las ruedas de un vehículo eléctrico de movimiento se consigue por medio de un sistemas eléctrico, cuyo elemento fundamental es, el motor eléctrico. Figura 6.6 Sistema eléctrico de un vehículo eléctrico. El motor eléctrico es el que se encarga de transformar la energía eléctrica, almacenada en las baterías, en energía de tracción. Su unión a la rueda puede ser directa o a través de un sistema mecánico reductor-diferencial. Las diferentes disposiciones dependerán en gran medida del tipo de motor 181

191 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos utilizado. Las baterías constituyen el elemento de almacén de energía. Pueden ser cargadas directamente de red, para lo que se necesitara un convertidor que adapte los distintos niveles de voltaje. Gracias a ellas se alimenta, por una parte, las necesidades de energía para propulsión del vehículo, y por otra, una batería opcional auxiliar, de características similares a la de un vehículo de combustión interna, que puede servir para alimentar los sistemas de alumbrado, limpiaparabrisas, climatización, etc. Completando el conjunto, aparece una caja electrónica que contiene los diferentes sistemas encargados de controlar las funciones eléctricas y electrónicas del motor. Este sistema se compone de una gestión de potencia que controla la corriente que llega al motor y de un sistema de mando que analiza y transmite las órdenes del conductor. Gracias a este control electrónico se puede disponer también de frenado regenerativo. El sistema eléctrico de un vehículo eléctrico se integra dentro de un sistema electromecánico global denominado cadena de tracción, que recoge este nombre de la terminología asociada vehículo de combustión interna porque su objetivo principal es el mismo. La mayoría de los vehículos eléctricos que existen en el mercado, utilizan sistemas de transmisión originalmente desarrollados para su uso en vehículo de combustión interna basados en la simple idea de reemplazar el motor térmico por uno eléctrico. Sin embargo, los motores eléctricos ofrecen una utilización mucho más flexible que los térmicos, por lo que se pueden pensar en diferentes configuraciones de cadenas de tracción. En general, la cadena de tracción de un vehículo eléctrico, o hibrido, puede 182

192 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos dividirse en tres subsistemas principales: suministro de energía, transmisión eléctrica y transmisión mecánica. Figura 6.7 Subsistemas de la cadenas de tracción de un vehículo eléctrico o hibrido. El diseño de estos subsistemas, así como de los componentes de que se constituyen, pueden variar considerablemente dependiendo del vehículo al que van dirigidos. Dentro de las consideraciones a tener en cuenta en el diseño de la cadena de tracción, podemos citar los siguientes: Tipo de tracción: delantera, trasera o a las cuatro ruedas: Numero de motores que van a utilizarse. Transmisión equiparable a la de un VCI o directa. Utilización o no de caja de velocidades Cadena de tracción en las que se utiliza un solo motor. El motor eléctrico sustituye al de combustión y los elementos de la cadena de tracción de un vehículo de combustión interna se conservan. Una variante de esta configuración consiste en no utilizar caja de velocidades, acoplando el motor eléctrico directamente al árbol de entrada del diferencial. Esta solución es posible gracias a que los motores eléctricos, a diferencia de los térmicos, desarrollan un alto par en el arranque y ofrecen, un ancho rango de velocidad. 183

193 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos Sin embargo, las características del motor o del vehículo no siempre aconsejan omitir la caja de velocidades. Esta solución es preferible, económicamente, a la realización de una caja de velocidades especifica Cadenas de tracción en las que se utilizan dos motores. Una versión mejorada de la estructura anterior consiste en incorporar dos motores de tracción: el diferencial se sustituye por un motor para cada rueda propulsora. Los dos motores eléctricos arrastran las ruedas motrices bien directamente, bien a través de reductores. El montaje sin reductor parece una solución seductora, puesto que la no utilización de un elemento intermedio disminuiría el peso del sistema y, consecuentemente, las pérdidas asociadas a él. Sin embargo, para conseguir un par sobre la rueda equivalente al proporcionado por un conjunto de motor-reductor, el motor debe desarrollar un par 8-10 veces superior, lo que se traduce en un sobredimensionamiento importante. Además, se debe tener en cuenta que, para el tipo de conducción exigido al vehículo eléctrico la velocidad máxima de rotación de las ruedas es del orden de 1000 rpm, por lo que los motores de alta velocidad necesitaran de reducción. Figura 6.8 Cadena de tracción en vehículos con dos motores Cadenas de tracción en las que se utilizan cuatro motores. A fin de mejorar las prestaciones del vehículo podemos imaginar que las cuatro ruedas son motrices y son arrastradas por motores eléctricos, de forma directa 184

194 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos o a través de reductores. En esta disposición los motores pueden también estar integrados en las ruedas, para lo que será importante que sean ligeros y desarrollen un alto par. 6.4 Motores. En el vehículo eléctrico, el órgano propulsor lo constituye el motor eléctrico. Existen diferentes tipos de motores que podrían adaptarse perfectamente a las necesidades de un vehículo eléctrico. En un vehículo eléctrico, el motor eléctrico se encarga de convertir la energía eléctrica suministrada por las baterías en energía mecánica capaz de dotar a las ruedas de un par de tracción. En los vehículos eléctricos se han venido utilizando motores de corriente continua debido a su capacidad de operar directamente con la corriente de baterías sin necesidad de compleja electrónica. Los recientes avances en electrónica de potencia han conseguido motores de corriente alterna más eficientes y prácticos para uso en vehículo eléctrico. Su utilización podría hacer innecesaria la caja de velocidades (los motores de CA son capaces de suministrar alta potencia durante un rango de velocidades mayor que los de CD), además, resultan ideales para el uso en sistemas de frenado regenerativo; sin embargo, necesitan de electrónica adicional para convertir la energía de CD de las baterías en CA. La comparación entre distintas soluciones no se debe basar tan solo en el tipo de motor, sino que también han de tenerse en cuenta los elementos asociados a él y que constituyen la cadena de tracción: convertidor de potencia, sistema de mando eléctrico y sistema de reductor diferencial. Para poder conseguir una potencia elevada en un motor de tracción de un vehículo eléctrico, conservando a la vez un volumen y masa reducidos, las máquinas utilizadas deben girar a una velocidad de rotación muy grande, próxima a su límite mecánico. 185

195 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos El ciclo de trabajo exigido al motor de un vehículo eléctrico hace que este no funcione a régimen nominal de forma permanente, sino que regularmente lo hace en zonas de sobre par y sobre potencia. Por tanto, su calentamiento debe ser vigilado y controlado por un sistema de refrigeración muy eficaz. Además de por estos problemas de calentamiento, la potencia y el par de la máquina eléctrica están limitados por la electrónica de potencia. A continuación se mencionan los tipos de motores eléctricos cuya utilización resultaría adecuada en un vehículo eléctrico: Corriente directa: Motor serie. Motor CD de excitación independiente. Corriente alterna: Motor asíncrono (de inducción). Motor síncrono: a) De rotor bobinado. b) De imanes permanentes (brushless). Motor de reluctancia conmutada Motores CD. Los motores de CD fueron los primeros en utilizarse en la propulsión de VE, por las buenas características que presentan en tracción y su habilidad de operar directamente desde la batería sin necesidad de electrónica compleja. Los primeros motores de CD utilizados en VE fueron los de excitación en serie por su característica T-v (par-velocidad) de forma hiperbólica, que los hace capaces de aportar un par de arranque elevado que se va debilitando a altas velocidades, lo que resulta adecuado para su uso en tracción. Con el desarrollo de la electrónica de potencia y, en particular, de los choppers a tiristores o transistores, el uso de motores CD de excitación independiente se 186

196 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos ha visto impulsado. Este tipo de motor presenta, frente al de devanado serie, la ventaja de no sufrir el riesgo de elevadas velocidades con bajos pares de carga. Ofrecen un funcionamiento a par constante por debajo de una velocidad base y a potencia constante por encima, para lo que se deben alimentar por medio de una fuente de excitación regulable. Ventajas de los motores CD: Ofrecen una buena respuesta siempre que se requieren altos pares o amplia variación de velocidad. Relativa simplicidad de los sistemas de control actuales. Desventajas: Uso de escobillas y colectores, que necesitan mantenimiento. La estructura del rotor, y el rozamiento entre la escobilla y el colector restringe el límite de velocidad de rotación máxima. Pérdidas elevadas en el rotor y que producen un incremento térmico difícil de evacuar. La reversibilidad de una cadena de tracción se refiere al hecho de que posibilita la recuperación, al menos en parte, de la energía de frenado. En el caso de motores CD, esto es posible en la medida en que el convertidor de potencia del motor sea reversible Motores síncronos. Los motores síncronos ofrecen en teoría los mejores resultados: su rendimiento es elevado y, además, al encontrarse el inducido en el estator se facilita la evacuación del calor, reduciéndose el tamaño del motor. El motor síncrono de rotor bobinado presenta unas características electromecánicas idénticas a las de un motor de CD y el mismo modo de funcionamiento: par constante hasta una velocidad base y potencia constante, 187

197 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos desexcitando la máquina. Para el uso en tracción, se presenta como opción interesante el motor síncrono de imanes permanentes (sin escobillas), que evita los problemas de mantenimiento ocasionados por las escobillas. En ellos, el rotor porta los imanes permanentes, mientras que el estator está formado por un devanado trifásico conectado en estrella. El control de voltaje y velocidad se realiza por circuitos de electrónica de potencia Motores de reluctancia conmutada. Los motores de reluctancia conmutada (SRM, switched reluctance motors), se han considerado durante mucho tiempo ideales para su uso en vehículos eléctricos, de no ser porque generan mucho ruido. Ventajas: La estructura del motor es muy sencilla y su banda de control es alta. Son muy robustos y no requieren prácticamente de mantenimiento. Tienen capacidad de producir altos pares a velocidades bajas, lo que resulta ideal para aplicaciones de tracción. Presentan baja inercia que, unida a su alta densidad de par, permite acelerar y frenar en forma rápida el vehículo y su carga. El tiempo preciso de la frenada depende de la inercial total. Capacidades de altas velocidades, que permite diseños más compactos. Extensa banda de par que permite, en ciertos casos, la posibilidad de eliminar o simplificar la caja de cambios. Comparados con el motor de inducción, ofrecen unas dimensiones más pequeñas, bajo coste, mayor eficiencia y una salida en potencia que puede llegar a ser el 160 por 100 de la correspondiente a un motor de inducción de tamaño equivalente. Desventajas: Son ruidosos. 188

198 6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos Se encuentran en desarrollo. En cuanto a las perspectivas de futuro en el uso de motores eléctricos para vehículos, se puede decir que es posible que los motores CD, a pesar de ser la opción más antigua, sigan siendo los más utilizados, en tanto los VE se fabriquen con volúmenes de producción limitados. Esto se debe, principalmente, a su simplicidad y a que el bajo coste del conjunto motor + accionamiento se toma como factor prioritario. Sin embargo, los problemas asociados al uso de una máquina con colectores dentro del entorno de un VE, hacen que se prefieran, al menos en teoría los sistemas de CA. Resulta lógico pensar que el creciente interés en los VE favorezca la aparición y el desarrollo de nuevas máquinas, que respondan mejor a las necesidades de este tipo de vehículos Necesidades de desarrollo en todos los tipos de motores. A continuación se resumen una serie de aspectos mejorables en los motores eléctricos para su uso en tracción: Menor tamaño, menor peso, menor momento de inercia, mayor eficiencia y menor coste (incluyendo la transmisión). Asegurar un ancho rango de velocidades y control de par. Introducir métodos de refrigeración para aplicar durante altas potencias de salida. Buscar soluciones a los problemas de ondas electromagnéticas generadas por el accionamiento del motor, ya que interfieren en el uso de radio y equipos de comunicaciones. El tema sobre baterías para vehículos eléctricos, se abordara en el capítulo

199 7. Baterías 7 BATERÍAS. La batería es un equipo compuesto por dos o más celdas dispuestas en serie o paralelo, la cual almacena energía eléctrica. La batería es una máquina química (convierte energía química en energía eléctrica). En la celda la energía química se convierte en energía eléctrica. La energía eléctrica se almacena en el interior de la celda en forma de potencial químico enlazado entre los materiales activos de la celda. A medida que la celda se carga o descarga se modifica la composición química. Las pilas y celdas eléctricas se usan como fuente de energía obtenida de la reacción química. En general se componen de celdas electrolíticas en las que dos placas eléctricas de metales distintos (cátodo y ánodo) están separadas entre sí por una solución iónica que es el medio capaz de conducir electrones entre ambas placas. Estos elementos están contenidos en un envase o recipiente metálico o plástico, con separadores de los elementos activos como papel o cartón, auxiliares constructivos como plomo o cadmio que mejoran la embutición o mercurio que limita la corrosión, además de elementos de presentación comercial. Figura 7.1 Funcionamiento básico de una batería. La corriente eléctrica fluye del ánodo al cátodo porque existe una diferencia de potencial eléctrico entre ambos electrolitos. 190

200 7. Baterías 7.1 Fundamentos. Electrólito líquido: El líquido de las baterías recibe el nombre de electrólito. En una batería de plomo se emplea ácido sulfúrico diluido con agua, a manera de electrólito. Electrólito fijado: Para evitar daños debidos a que se pueda derramar el electrólito se puede emplear un electrólito fijado. Es posible solidificar el electrólito conjuntamente con un gelificante. Agregando ácido silícico al ácido sulfúrico, el electrólito se solidifica, transformándose en una masa gelatinosa. Otra forma de fijar el electrólito se consigue empleando vellón de fibra de vidrio como material separador. El vellón de fibra de vidrio inmoviliza el electrólito e impide que se derrame en caso de producirse daños en la carcasa de la batería. Operaciones de carga y descarga: Carga: significa la retroalimentación de energía eléctrica en la batería. Durante la operación de carga se transforma energía eléctrica en energía química. Descarga: significa el consumo de energía eléctrica de una batería. Con motivo de la operación de descarga se transforma energía química en energía eléctrica. Una batería se somete a descarga en cuanto se encuentra conectada con un consumidor activado. Capacidad: Es la cantidad de electricidad disponible en una batería o en una celda, medida en Ampere-hora (Ah). La capacidad depende de la temperatura de la batería y de la corriente de descarga. Capacidad nominal K20: Es la capacidad de la batería, indicada por el fabricante y expresada en amperios-hora. Una batería nueva, cargada al máximo, debe entregar a temperatura ambiente una corriente en una magnitud de K20: 20 h durante veinte horas. La tensión de la batería no debe caer por debajo de 10.5 V durante esa operación. 191

201 7. Baterías Corriente de prueba en frío: La capacidad de arranque de la batería en frío viene identificada por la corriente de prueba en frío. Es la corriente de descarga que, según indicación del fabricante, debe suministrar una batería nueva, cargada al máximo, expuesta a -18 C durante un lapso de tiempo definido en la norma correspondiente. El límite de tensión determinado en la norma no debe ser inferior en la práctica. Tensión de la celda: es la diferencia de los potenciales que surge entre las placas positivas y negativas en el electrólito. La tensión de las celdas no es una magnitud constante. Depende esencialmente del estado de carga (densidad del ácido). Densidad: Es una medida de peso del electrolito comparado al peso del agua (técnicamente conocida como gravedad específica). Tensión entre bornes: es la tensión que hay entre los dos bornes terminales de la batería. Tensión de gasificación: es la tensión de carga, por encima de la cual una batería empieza a gasificar de un modo manifiesto. Esto hace que se produzca hidrógeno superfluo en una gran cantidad (gas detonante). Tensión en reposo: La tensión en reposo o tensión sin carga es aquella que posee una batería desembornada, no sometida a carga, después de haber alcanzado un valor de equilibrio. 7.2 Tipos de baterías. Existen muchos tipos de baterías que se pueden clasificar inicialmente en dos grandes grupos: 1. Primarias o pilas: que se agotan por haberse convertido la energía química en eléctrica, no es posible recuperar el estado de carga. En estas baterías la reacción química no es reversible. Este tipo de baterías sólo pueden ser descargadas. No pueden recargarse, a estas baterías se les conoce como baterías primarias. 192

202 7. Baterías Un ejemplo de éstas son las baterías utilizadas en lámparas y radios portátiles. Habitualmente se les encuentra en las pilas alcalinas; principalmente en las pilas de zinc-carbón, con una barra de carbón como cátodo y una pieza de zinc como ánodo. El ánodo siempre es el electrodo negativo y el cátodo el positivo. Figura 7.2 Pilas alcalinas. 2. Baterías secundarias: Existe otro tipo de baterías que son recargables, en estas baterías la reacción química en el interior es reversible. A las baterías recargables se les conoce con el nombre de baterías secundarias. Este tipo de baterías pueden descargarse y recargarse muchas veces, cuando un número de celdas secundarias se conectan en serie para rendir un voltaje de salida deseado se le llama a esta combinación Batería de acumulación o simplemente Acumulador. Las baterías convierten la energía química en energía eléctrica. En las baterías secundarias este proceso es reversible y también pueden convertir la energía eléctrica en energía química. Las baterías recargables vienen en diferentes tamaños y emplean diferentes combinaciones de productos químicos. Las celdas secundarias utilizadas con más frecuencia son las de plomo-ácido, la de níquel-cadmio (NiCd), la de níquel-metal hidruro (NiMH), la de iones de litio (Li-ion), y la de polímero de iones de litio (polímero de Li-ion). Las baterías recargables pueden ofrecer beneficios económicos y ambientales en comparación con las pilas desechables. Algunos tipos de 193

203 7. Baterías baterías recargables están disponibles en los mismos tamaños que los tipos desechables. Aunque las pilas recargables tienen un mayor costo inicial, pueden ser recargadas muchas veces. La selección adecuada de una batería recargable puede reducir los materiales tóxicos desechados en los vertederos, frente a una serie equivalente de pilas de un sólo uso. CARGA Y DESCARGA DE UNA BATERÍA SECUNDARIA. Durante la carga, el material activo del electrodo positivo se oxida, liberando electrones, y el material del electrodo negativo es reducido, captando dichos electrones. Estos electrones constituyen el flujo de corriente eléctrica que atraviesa el circuito externo. El electrolito puede servir como un simple medio de transporte para el flujo de iones entre los electrodos, como en el caso de la batería de iones de litio y la batería de níquel-cadmio, o puede ser un participante activo en la reacción electroquímica, como en la batería de plomo-ácido. La energía utilizada para cargar las baterías recargables en su mayoría proviene de corriente alterna de la red eléctrica, utilizando un adaptador (cargador). Figura 7.3 Pilas recargables. La mayoría de los cargadores de baterías pueden tardar varias horas para cargar una batería. La mayoría de las baterías pueden ser cargadas en mucho 194

204 7. Baterías menos tiempo de lo que emplean los cargadores de baterías más comunes y simples. Las baterías recargables son susceptibles a daños debido a recarga inversa (inversión de los polos) si están completamente descargadas. Existen cargadores de baterías totalmente integrados que optimizan la corriente de carga Tipos de baterías más comunes. BATERÍA DE PLOMO-ÁCIDO. Es el tipo de batería recargable más común por su buena relación de desempeño-costo aunque es la de menor densidad de energía por peso y volumen. Esta batería cuenta con varias versiones: Shallow-cycle o de ciclo corto, es usada en automóviles, en los cuales se necesita poca energía, la es forzada desde la batería para encender el motor. Deep-cycle o de ciclo profundo, diseñada para repetidos ciclos de carga y descarga. La mayoría de las aplicaciones requiere este tipo de baterías. Gel-Cell con aditivos, los cuales vuelven el electrolito en un gel antiderrames, está pensada para ser montada de lado o de invertido pero su alto costo la limita a aplicaciones en aviones militares. Figura 7.4 Batería marca LTH plomo-ácido. 195

205 7. Baterías COMPONENTES DE UNA BATERÍA PLOMO-ACIDO. 1. Placa Es el conjunto del material activo y su soporte. 2. Placa positiva (+) Es la placa hacia la cual fluye la corriente eléctrica desde el circuito externo, durante la descarga de la celda; cuando la celda se encuentra cargada, ésta placa está formada por peróxido de plomo (PbO2). 3. Placa negativa (-) Es la placa de la cual fluye la corriente eléctrica hacia el circuito externo, durante la descarga de la celda; cuando la celda está totalmente cargada, la placa está formada por plomo esponjoso (Pb). 4. Rejilla Es la armazón, cuya función son las de retener al material activo y conducir la corriente uniformemente desde o hasta cualquier punto de la placa, el material de la rejilla es una aleación de plomoantimonio. 5. Electrolito Es una solución acuosa de ácido sulfúrico, en la cual, la corriente circula (durante la carga), debido al movimiento de los iones, producidos durante la reacción química. 6. Separador Es un dispositivo de material aislante que sirve para evitar el contacto entre las placas de distinta polaridad. 7. Vaso Es el recipiente que contiene a los electrodos y al electrolito de una celda acumuladora, es de material resistente al ácido sulfúrico. 8. Postes terminales Son los bornes de la celda, a los cuales se conecta el circuito de carga externo. 9. Tapa Es una tapa de material aislante que fija al vaso para cubrirlo evitando la introducción de impurezas, así mismo para evitar la fuga del electrolito. 10. Tapón Es un dispositivo de material, aislante alojado en la tapa, el cual funciona como válvula de seguridad, para permitir la salida de los gases que se forman en la celda, al ser cargada y también permite el acceso a su interior mediante su remoción. 11. Conectores de celda Conectores de plomo soldados de la terminal negativa de una celda a la terminal positiva de la celda adjunta hasta 196

206 7. Baterías que todas las celdas queden unidas en serie. Figura 7.5 Componentes de una batería plomo-acido. BATERÍA DE NÍQUEL-CADMIO. Se caracteriza por sus celdas selladas, por tener la mitad del peso y por ser más tolerante a altas temperaturas, que una batería de plomo-acido convencional. Tiene una muy baja tasa de auto descarga. Debido a regulaciones ambientales ha sido reemplazada por NiMH e Ion-Litio, en notebooks y en otros tipos de electrónica de alto precio. Tiene el efecto de memoria lo cual acelera su proceso de descarga. BATERÍA DE NÍQUEL-HIDRURO METÁLICO. Es una extensión de la tecnología de NiCd, ofrece una mayor densidad de energía y el ánodo es hecho de metal hidruro evitando los problemas 197

207 7. Baterías ambientales de la NiCd. Además su efecto memoria es casi despreciable. No es capaz de entregar alto picos de potencia, tiene un alto grado auto descarga y es muy peligrosa si es sobre cargada. Tiene una alta tasa de auto descarga. Aun es de precio elevado, aunque se estima que su costo disminuirá al producir vehículos a gran escala. BATERÍA DE ION-LITIO. Es de una nueva tecnología, la cual ofrece una densidad de energía de 3 veces la de una batería de plomo-acido. Esta gran mejora viene dada por su bajo peso atómico de 6.9 vs 209 para de plomo. Además cuenta con el más alto voltaje por celda de 3.5 V, lo cual reduce el número de celda en serie para alcanzar cierta voltaje, lo que reduce su costo de manufactura. Tiene una muy baja tasa de auto descarga. Rápida degradación y sensibilidad a las elevadas temperaturas que pueden resultan en su destrucción por inflación o incluso explosión. Ofrecen un rendimiento inferior a las baterías de Ni-CD o Ni-MH a bajas temperaturas, reduciendo su duración hasta en un 25%. Figura 7.6 Una batería de iones de litio, fabricada por Varta, expuesta en el Museum Autovision de Altlußheim, en Alemania. Requieren en su configuración como producto de consumo, la inclusión de dispositivos adicionales de seguridad, resultando en un coste superior que ha limitado la extensión de uso a otras aplicaciones. BATERÍA DE POLÍMERO-LITIO. Es una batería de litio con un polímero sólido como electrolítico. Estas baterías 198

208 7. Baterías tienen una densidad de energía de entre 5 y 12 veces la de Ni-CD o Ni-MH, a igualdad de peso. A igualdad de capacidad, las baterías de Li-Po son, típicamente, cuatros veces más ligeras que las de Ni-CD de la misma capacidad. La gran desventaja de estas baterías es que requieren un trato mucho más delicado, bajo riesgo de deteriorarlas irreversiblemente o, incluso, llegar a producir su ignición o explosión. Un elemento de Li-Po tiene un voltaje nominal, cargado de 3.7 V. Nunca se debe descargar una batería por debajo de 3.0 V por celda; nunca se la debe cargas más allá de 4.3 V por celda. BATERÍA DE AIRE-ZINC. Con una fabricación más barata y capacidades que pueden superar en 3 veces a las populares ion de litio. Las nuevas baterías de zinc-aire funcionan utilizando el oxígeno almacenado en un cuarto como electrodo, mientras la batería contiene un electrolito y el electrodo de Zinc permite que el aire circule dentro de una caja porosa, logrando el milagro de la electricidad. La compañía ReVolt se encuentra trabajando en llevar el zinc-aire a vehículos eléctricos, para esto será necesario incrementar el número de ciclos de carga en 10,000, algo un poco lejano todavía para los prototipos que solo alcanzan las cargas y descargas. Las pilas a base zinc tienen como principal ventaja la posibilidad de ser recicladas sin límite, sin perder ni sus cualidades químicas, ni sus cualidades físicas. Tabla 7.1 Comparación entre baterías. Tipo Energía/ peso Tensión por elemento (V) Duración(número de recargas) Tiempo de carga Auto-descarga por mes (% del total) Plomo Wh/kg 2 V h 5% 199

209 7. Baterías Ni-Cd Ni-Mh Li-ion Wh/kg Wh/kg Wh/kg 1,25 V h 30% 1,25 V h-4h 20% 3,16 V h-4h 25% Li-Po Wh/kg 3,7 V h-1,5h 10% Comparación entre baterías de plomo, Ni-Cd, Ni-Mh, Li-ion, Li-Po. BATERÍA DE SAL FUNDIDA. Las baterías de sal fundida son un tipo de pilas, tanto primarias como secundarias, de alta temperatura de funcionamiento, que usan la sal fundida como electrolito. Ofrecen tanto una densidad energética más elevada por la mayor variedad y diferencia de potencial eléctrico de los electrodos, como una mayor potencia específica, por la mayor conductividad iónica de la sal fundida. Son características que las hacen muy prometedoras para la propulsión de vehículos eléctricos. Sin embargo, tienen problemas de seguridad e inflamabilidad por sus elevadas temperaturas de trabajo (400 a 700 C), y necesitan, por tanto, materiales estructurales de la batería con características muy especiales. Cabe decir que algunos diseños más modernos operan a temperaturas un poco más bajas, de 270 a 350 C. También conocidas como baterías térmicas, tienen su electrolito como característica diferenciadora: es sólido e inactivo a temperatura ambiente, lo cual impide su carga o descarga en frío; sin embargo a altas temperaturas el electrolito se licúa y puede reaccionar químicamente para dar o recibir electricidad. BATERÍA ZEBRA. Una de las baterías recargables que más prometen son las conocidas como Zebra. Es una pila secundaria que opera a 250 C y utiliza sodio-aluminio-cloro 200

210 7. Baterías (NaAlCl4) o sodio-níquel-cloro (NaNiCl) triturado, que tiene un punto de fusión de 157 C, como electrolito. El electrodo negativo es sodio triturado. El electrodo positivo es níquel, cuando está la batería descargada, y cloruro de níquel cuando está cargada. Esta batería es una invención de 1985 realizada por el grupo Zeolite Battery Research Africa Project (ZEBRA), liderado por Johan Coetzer en el Consejo de Investigación Científica e Industrial de Pretoria -Sudáfrica-, del cual proviene el nombre de esta batería. La batería ZEBRA tiene unas características interesantes de energía y potencia (90 Wh/kg y 150 W/kg). Tienen una alta densidad energética, pero operan en un rango de temperaturas que va de 270 C a 350 C, lo que requiere un aislamiento. Son muy apropiadas en autobuses eléctricos y camiones eléctricos. 7.3 Aplicaciones convencionales. Actualmente se utilizan baterías recargables para aplicaciones tales como motores de arranque de automóviles, dispositivos portátiles de consumo, vehículos ligeros (como sillas de ruedas motorizadas, carros de golf, bicicletas eléctricas y carretillas elevadoras eléctricas), herramientas y sistemas de alimentación ininterrumpida. También en nuevas aplicaciones como para vehículos eléctricos híbridos y en vehículos eléctricos están impulsando la tecnología para reducir costos, reducir el peso y aumentar de la vida útil. Figura 7.7 Vehículo hibrido cargando su batería. 201

211 7. Baterías Hay aplicaciones de almacenamiento de energía en red que emplean baterías recargables industriales para nivelación de carga, almacenando la energía eléctrica durante períodos de carga máxima para su posterior uso, y para aprovechamiento de energías renovables, tales como el almacenamiento de energía generada a partir de paneles fotovoltaicos durante el día para ser utilizada durante la noche. Al cargar las baterías durante los períodos de baja demanda y devolver la energía a la red durante los períodos de alta demanda eléctrica, la nivelación de carga ayuda a eliminar la necesidad de costosas plantas de energía en horas punta y ayuda a amortizar el costo de los generadores durante las horas de más funcionamiento. La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos de Estados Unidos ha estimado que la demanda de pilas recargables en EE.UU. está creciendo dos veces más rápido que la demanda de las no-recargables (desechables). Cada tipo (componentes) de batería tiene sus propias aplicaciones debido a su tiempo de carga y descarga, el ambiente en el que se ocupan, su peso o volumen, etc. La batería de plomo-acido es, en el momento actual, imprescindible e insustituible, especialmente en automoción, pero también en muchas aplicaciones que exigen continuidad en el suministros de energía eléctrica. En automoción se usa como batería de arranque, en el área de tracción, se ocupan baterías para carretillas, locomotoras de mina, vehículos industriales y embarcaciones. En el área de la industria su aplicación sirve para dar servicios continuos, regular cargas así como en energía fotovoltaica. Las baterías de níquel-cadmio, se usan frecuentemente en juguetes, equipos estéreos y máquinas fotográficas. Existen diseños especializados de baterías Ni-Cd, como es el ejemplo de baterías para aviones, lo que permite expulsar el oxígeno e hidrogeno cuando la batería es cargada o descargada rápidamente. Las baterías de Ni-MH incluyen todos los vehículos de propulsión totalmente 202

212 7. Baterías eléctrica como, General Motors EV1, Honda EV Plus, Ford Ranger EV, Scooter Vectrix. También a los vehículos híbridos como el Toyota Prius, Honda Insight o las versiones híbridas del Ford Escape, Chevrolet Malibu y Honda Civic Hybrid también las utilizan. El transporte público de la ciudad de Niza (Francia) cuenta con el tranvía de piso bajo Alstom Citadis. Varios modelos de robot utilizan baterías Ni-MH entre ellos el célebre prototipo humanoide ASIMO diseñado por Honda. Figura 7.8 Robot ASIMO. Las baterías de Ion-Litio se han popularizado en aparatos como teléfonos móviles, agendas electrónicas, laptops y lectores de música. Las baterías de ion litio al ser baterías más compactas permiten manejar más carga, lo que hay que tener en cuenta para lograr automóviles eléctricos prácticos. Figura 7.9 Batería de Ion- Litio para celulares. La generación del Hyundai Sonata que salió en el 2011 y está basado en un modelo hibrido que saco Hyundai a finales de 2010, adapto su enfoque diferente en cuando al almacenamiento de energía pues utilizo baterías de polímero de litio en lugar de usar un compuesto de níquel con iones de litio. La marca de computadoras portátiles Apple, usa actualmente la tecnología de 203

213 7. Baterías las baterías de polímero de litio en ipod o iphone. También se encuentra en dispositivos como teléfonos móviles y PDAs. La tecnología de baterías aire-zinc es respetuosa con el medio ambiente y encuentra su mejor aplicación en prótesis de oído, aparatos electrónicos portátiles y en el sector automotriz. Es probable que el futuro del coche eléctrico pase por el desarrollo de baterías más potentes de zinc-aire, que sustituyan a las de iones de litio. ReVolt Technology ha solicitado 30 millones de dólares dentro del programa del gobierno de Estados Unidos para acelerar el desarrollo tecnológico de las baterías de zinc-aire para posibilitar vehículos eléctricos con mayor autonomía. Figura 7.10 Dispositivos Apple con batería de ion y polímero de litio. 7.4 Baterías para automóviles eléctricos. Las baterías de ion litio han demostrado grandes ventajas que permiten pensar en su uso, no solo para teléfonos móviles, ordenadores personales y otros aparatos de consumo como hasta ahora, sino también en alimentar vehículos eléctricos. Pueden soportar numerosos ciclos de carga, del orden de un millar al menos, que no tiene prácticamente efecto de memoria y que su impacto medio ambiental es bajo. Por el contrario, también tienen inconvenientes, entre los principales su gran peso y su muy alto coste. 204

214 7. Baterías Aclaremos, lo primero, el litio no es un combustible, sino un metal que permite el almacenamiento de energía. Por qué se utiliza el litio? Observando la tabla de elementos se aprecia que se trata del metal más ligero, posee el mayor potencial electroquímico y representa el mayor contenedor de energía, por lo que se puede conseguir más capacidad en menos espacio y con menor peso. Hoy en día la decisión de fabricar ion de litio para su uso en automóviles eléctricos o híbridos está tomada. Empresas como NEC, Matsushita, Sanyo, Hitachi, LG, etc. ya están poniendo en marcha fábricas para su fabricación en grandes series. Los chinos van a ser los grandes dominadores del mercado en el sector del coche eléctrico, pues han llegado a ser los primeros fabricantes de todo tipo de automóviles en 2009, el crecimiento de su producción es el mayor de todos los países. Además, sus autoridades así lo han expresado y algunas empresas como la BYD lo están demostrando. Mercedes Benz ha firmado acuerdos muy importantes en el campo de las baterías. Por un lado, un acuerdo con la empresa americana TESLA en cuanto a desarrollo de baterías, habiendo además comprado una participación de esta marca. Y por otro, un acuerdo con la ya mencionado BYD que incluye el desarrollo de un coche para los países asiáticos, en principio. Las baterías para coche se componen de un gran número de pilas. Por ejemplo en el caso del coche americano Tesla son 18,650 pilas individuales de 3.7 voltios cada una, agrupadas en once módulos, llegando a almacenar 53 kwh de energía y pudiendo proporcionar una potencial total de más de 200 kw 375 voltios nominales. Se ha comprobado que las baterías de ion litio pueden tener problemas de funcionamiento a altas temperaturas y que existe un riesgo de calentamiento en determinadas condiciones (existen documentos que muestran un teléfono u ordenador ardiendo por culpa de las baterías). Esto ha obligado a los 205

215 7. Baterías fabricantes a tomar muy en serio estos riesgos, ya que no son asumibles en un coche. Figura 7.11 Vehículo eléctrico, TESLA. Por eso las baterías para este uso, tienen tantos dispositivos (chips) de control para cada módulo de baterías e incluso para cada pila conectada a una centralita, para permitir aislarlos en caso necesario, como circuitos de refrigeración en la mayoría de los casos. Uno de los temas más importantes de estas nuevas baterías de ion litio es que son mucho más ecológicas, ya que se pueden reciclar sus componentes al final de su vida. El litio es el metal más ligero de la naturaleza y además permite su reciclaje. Así, al final de la vida de las baterías, el litio se puede utilizar para otras aplicaciones. En el tema de las baterías, todos los días estamos recibiendo noticias del avance en su investigación. Nuevos materiales, tanto para los electrodos como para los separadores, que mejoran las prestaciones de las que ya existen: además del litio, se estudian otros metales, como cobalto y manganeso y en diversas formas como óxidos, fosfatos y polímeros. Por otro lado, las vías de investigación conducen a otros caminos de desarrollo de baterías más eficaces, como es el caso del empleo de la nanotecnología Recarga. Ya en la actualidad se anuncian tiempos de recarga de las baterías, para VE, muy diferentes; aunque la mayoría anuncian 8 horas en carga normal (lenta), algunos fabricantes dicen que su tiempo de recarga es de 6, 5 e incluso 2 206

216 7. Baterías horas y media para la capacidad total de la batería. Todo ellos prácticamente anuncian que el 80 % de la capacidad puede realizarse mediante una carga rápida, en 30 minutos. Incluso hay un caso el del Lightning ingles que anuncia una recarga en 10 minutos, para una autonomía de 300 km. La carga normal, o lenta, se realiza con una corriente eléctrica de 220 volts, a razón de unos 3.5 hasta 6 kwh, mientras que para una carga rápida son necesarios unos 40 o 50 kwh a 380 voltios. Esto quiere decir que la carga normal puede llevarse a cabo en cualquier enchufe doméstico, mientras que la carga rápida tiene que realizarse en aparatos de cargas especiales, los cuales requieren una alimentación eléctrica disponible únicamente al efecto y además con unos estrictos sistemas de seguridad Duración. La vida de las baterías de ion litio actualmente es larga, según anuncian los fabricantes. La mayoría de los fabricantes de automóviles la estiman en un periodo similar a la vida de un coche de los que van a poner en el mercado, es decir, 1,000 ciclos o 100,000 km si la autonomía es de 100km. En el caso del mencionado Lightning, se ha publicado una vida de la batería, una Altairnano (batería de ciclo profundo), de más de 12 años y una capacidad mantenida del 85 % tras 15,000 cargas. Lo ideal es no dejar que la carga de la batería baje del 20 % y cargarla hasta un 80 %. El hecho de realizar cargas rápidas no supone un acortamiento de la vida de la batería, según la mayoría de los expertos, aunque eso no quiere decir que sea recomendable cargar siempre por este procedimiento Otras baterías. Últimamente, parece darse por sentado que las baterías de Ion-Litio son las 207

217 7. Baterías más adecuadas para el uso automovilístico, y posiblemente sea así. No obstante, no es esta la única posibilidad que existe y, de hecho, las propias baterías de Ion-Litio constituyen una amplia familia de opciones químicas diversas que sólo comparten entre sí el Litio como elemento fundamental, pero no el resto de elementos implicados. Existen tres tipologías de baterías, atendiendo a su química, cuyo desarrollo actual las hace adecuadas para alimentar el motor de un coche eléctrico: las baterías de Plomo-Ácido, las baterías de Metal-Níquel y, finalmente, las baterías de Ion-Litio. Escoger entre los diferentes tipos de baterías es siempre una decisión de compromiso entre densidad energética, potencia específica, costes, seguridad y durabilidad. Las baterías de Plomo-Ácido son la opción de bajo coste, y se han utilizado durante décadas para arrancar nuestros motores de combustión. Entre sus ventajas, además del bajo coste y estandarización universal, se encuentran su buena potencia específica (W/kg), buen comportamiento en un amplio rango de temperaturas, buena retención de la carga en el tiempo y son relativamente fáciles de reciclar. Sólo pueden almacenar unos 40 Wh/kg, una densidad energética muy pobre. Las baterías de Níquel-Metal han sido las preferidas del Toyota Prius durante sus más de 10 años de historia, por lo que han demostrado su capacidad para responder en el interior de un híbrido no enchufable. Su potencia específica es correcta, su ciclo de vida largo y no presentan problemas medioambientales, mientras que tienen un alto índice de descarga en periodos de inactividad (pierden el 30% de la carga en un mes paradas) y su costo de producción es algo elevado por incorporar tierras raras en el electrodo positivo. Sus 60 Wh/kg las hace superiores a las de Plomo-Ácido, pero las mantiene 208

218 7. Baterías todavía a cierta distancia del Litio, que, no en vano, es el más ligero de los elementos de la tabla periódica, el cual no es un gas a temperatura ambiente. Las baterías de Ion-Litio, de las que existen muchas variedades, parecen estar llamadas a prevalecer, pues sus características técnicas más importantes mejoran sustancialmente a las dos opciones anteriores, si bien introducen también algún que otro problema en la ecuación. VARIEDADES DEL ION LITIO. Las diferentes baterías de Ion-Litio tienen en común entre sí la utilización, en general, de un ánodo de Litio-Carbono y difieren entre sí en el óxido de litio que utilizan en el cátodo. Cada química da lugar a un diferente conjunto de características técnicas y, por tanto, aunque hablamos constantemente de baterías de Ion-Litio como si fueran una única cosa, estamos utilizando probablemente una denominación demasiado genérica y que abarca muchas posibilidades, entre las que se encontrarían las siguientes ya desarrolladas con la tecnología actual: Baterías de Litio-Cobalto (Li Co O 2 ). Con una densidad energética de Wh/kg., estas son las más extendidas para dispositivos móviles como teléfonos u ordenadores portátiles. Son difícilmente utilizables en automóviles porque sólo aguantan unos 500 ciclos de recarga y en caso de accidente y rotura pueden generar reacciones exotérmicas que desemboquen incluso en incendio, lo que sería demoledor para su imagen, por improbable que sea el suceso. Baterías de Litio-Hierro-Fosfato (Li Fe P O 2 ). Con una densidad energética de Wh/kg, son las más seguras, por tener la mayor estabilidad térmica y química. Su densidad energética está en la zona baja, pero se pueden considerar un salto adelante en seguridad y también en durabilidad, con hasta 2,000 ciclos de recarga. Son también las más baratas, junto con las de cobalto, pero estas sí se pueden 209

219 7. Baterías emplear en automoción para mover híbridos y eléctricos puros sin riesgos. Figura 7.12 Batería de ion litio en un vehículo eléctrico. Baterías de Litio-Manganeso (Li Mn 2 O 2 ). Con una densidad energética de Wh/kg, también son más estables térmicamente que las de cobalto y soportan un mayor voltaje, pero se encuentran de nuevo con una inferior densidad energética. El manganeso no es contaminante. Baterías de Litio-Níquel-Cobalto-Manganeso (Li Ni Co Mn O 2 ). Con una densidad energética de Wh/kg, tienen un excelente compromiso entre muy buen rendimiento y coste razonable, se empiezan a utilizar en automóviles eléctricos masivamente. Soportan 1500 ciclos y voltajes de los más altos. Baterías de Litio-Titanio (Li Ti O 2 ). Con una densidad energética de Wh/kg, son las más duraderas, pues aguantan hasta 12,000 ciclos de recarga (unas 10 veces más que cualquiera de las otras) pero su densidad energética actual es baja y su coste, muy elevado. 7.5 Mantenimiento de las baterías. A continuación se expondrá un procedimiento para el mantenimiento de baterías, tomando como ejemplo el mantenimiento que se hace a los bancos de baterías de la unidad 2 de la Central Nucleoeléctrica Laguna Verde. Las baterías secundarias que se manejan dentro de la CLV son de plomo-ácido de los fabricantes C&D, Exide y LTH, en la figura se muestran algunas baterías 210

220 7. Baterías C&D Definiciones y acronismos. - Celda piloto.- Es una celda que se toma como referencia para indicar la condición general del propio banco. - Voltaje de flotación.- Es el potencial regulado que proporciona un cargador, al cual las celdas de un banco de baterías y las cargas críticas están continuamente conectadas manteniendo al banco óptimamente cargado. - Voltaje de igualación.- Es el voltaje al cual una carga igualadora se suministra a las celdas de un banco de baterías para corregir diferencias ocurridas, por cambio de voltaje de flotación o densidad específica. La carga de igualación es dada a un voltaje mayor que el voltaje de flotación. - Nivel pleno de electrolito.- Es el nivel de electrolito sobre la parte superior de las placas. - EMIyP.- Equipo de medición, inspección y prueba. - SIIP.- Sistema integral de información de proceso Instrucciones. Figura 7.13 Baterías marca CD modelo LCY-39 plomo-acido. MANTENIMIENTO SEMANAL AL BANCO DE BATERÍAS DE ACUERDO AL MP a) Mida la densidad y la temperatura de la celda piloto de todos los bancos 211

221 7. Baterías del cuarto con el densímetro, cuidando que el accesorio para tal efecto (tubo o manguera) se introduzca de forma vertical en la celda, de tal forma que la distancia a partir del punto de prueba de la batería sea la siguiente: Tabla 7.2 Puntos de prueba de un densímetro en baterías. PUNTOS DE PRUEBA TIPO DE BATERIA 2GN-17 (250 VCD) DISTANCIA 30 cms LCR-21 (250 VCD) LCY-39 (125 VCD) KCR-7 (24 VCD) 24 cms 19 cms 3CDU-9 (125 VCD, DIV III) 3CX-7MB Tope superior de la celda (en caso de no cumplir con los valores de densidad en la vigilancia, tomar a 1/3 de la placa de la celda. Distancia a la que se debe introducir el densímetro según el tipo de batería, en un mantenimiento semanal. b) Revisar que el nivel del electrolito de la celda piloto de todos los bancos del cuarto se encuentren entre las marcas de alto y bajo nivel. c) Revisar el voltaje de la celda piloto de todos los bancos del cuarto a la centésima de volts, el cual debe ser 2.13 VCD. d) Revisar que el voltaje de flotación de los bancos de baterías del cuarto sea el correcto. Si se requiere, ajuste el voltaje con el potenciómetro para ajuste del voltaje de flotación instalado en el cargador (sentido horario incrementa el voltaje, sentido anti-horario, disminuye el voltaje). Ver ANEXO 11. NOTA: El voltaje de flotación para sistemas de distribución de 125 VCD debe ser aproximadamente a VCD, y para sistemas de 250 VCD debe ser aproximadamente 266 VCD (Ref: 1-REI A/C 01). 212

222 7. Baterías e) Corrija la lectura de densidad verificando que la lectura corregida sea de acuerdo a lo siguiente: por cada 3 F (1.67 C) de temperatura por encima de 77 F (25 C) adicione (0.001), a la lectura de densidad, por cada 3 F (1.67 C) de temperatura por debajo de 77 F (25 C) reste (0.001) a la lectura de densidad. (Ver ANEXO No. 8). f) Cuando no se cumpla la densidad específica de la celda piloto, verifique que la corriente del banco de baterías sea menor a 4 Amps. con el cargador en flotación como especifica en la nota (b) del ANEXO 4, en caso contrario notifique al jefe de turno. La corriente deberá ser tomada en los cables de alimentación del banco correspondiente (REC 2-005/01). g) Mida la temperatura ambiente del cuarto de baterías. (Esta lectura es sólo de referencia no tiene criterio de aceptación). h) Compare los valores corregidos con respecto a los criterios de aceptación ANEXO No. 11. MANTENIMIENTO TRIMESTRAL AL BANCO DE BATERIAS DE ACUERDO AL MP a) Mida la densidad y temperatura corregida a 77 F (25 C) (Ver ANEXO 8) con el densímetro el cual deberá ser corregida cuidando que el accesorio para tal efecto (tubo o manguera) se introduzca en forma vertical en la celda, de tal forma que la distancia a partir del punto de prueba sea la indicada en la tabla siguiente: Tabla 7.3 Punto de prueba de un densímetro en baterías. PUNTOS DE PRUEBA TIPO DE BATERIA 2GN-17 (250 VCD) DISTANCIA 30 cms 213

223 7. Baterías LCR-21 (250 VCD) LCY-39 (125 VCD) KCR-7 (24 VCD) 24 cms 19 cms 3CDU-9 (125 VCD, DIV III) 3CX-7MB Tope superior de la celda (en caso de no cumplir con los valores de densidad en la vigilancia, tomar a 1/3 de la placa de la celda. Distancia a la que se debe introducir el densímetro en cada tipo de batería, en mantenimiento trimestral. b) Revisar el voltaje de cada celda sea a la centésima de volts, el cual debe ser 2.13VCD. c) Revisar que el voltaje de flotación de los bancos de baterías sea el correcto (ANEXO No. 11). NOTA: El voltaje de flotación para sistemas de distribución de 125 VCD debe ser aproximadamente a VCD, y para sistemas de 250 VCD debe ser aproximadamente 266 VCD (Ref: 1-REI A/C 01). d) Revisar que la corriente del cargador de baterías para la Div. I y II de 125 VCD sea 300 A y para la Div. III de 125 VCD sea 50 A con el voltaje de las baterías en flotación. e) Mida la temperatura ambiente del cuarto de baterías. f) Calcule la densidad corregida promedio de todas las celdas conectadas al banco el cual deberá ser de g) Revisar que la temperatura promedio sea 22.2 C. h) Comparar los valores corregidos con respecto a los criterios de aceptación No

224 7. Baterías i) Revisar el nivel de electrolito de todas las celdas. NOTA: La lectura de densidad específica deberá ser tomada antes de agregar agua desmineralizada, adicionar mayor cantidad de agua se reflejará en una gran disminución de la densidad del electrolito. Es probable que en la semana siguiente bajen los valores debido a que pueden demorar la homogenación del electrolito. Si es necesario, agregue agua desmineralizada de tal forma que el nivel se mantenga entre las marcas de alto y bajo nivel. j) Verifique la coloración del electrolito observando: indicios de decoloración y apariencia rosada a roja, inducida por contaminación por cobre. k) Verifique cantidad, color y tipo de sedimentos de los bancos de baterías. l) Verifique que los contenedores de plástico de las celdas no tengan deformaciones o grietas, que sus tapones estén correctamente instalados y que no existan señales de fuga de electrolito. m) Verifique que el sello de plomo tipo inserto del borne positivo no este desgastado, si esto se presenta efectuar lo siguiente: NOTA: La distorsión del sello tipo inserto no afecta la operabilidad de la celda siempre que se cumplan los valores de densidad, voltaje y resistencia de contacto entre celdas. Las fisuras en las tapas superiores alrededor del poste positivo de las celdas (plomo), es un fenómeno natural debido al desplazamiento axial del mismo borne positivo producido por los compuestos de plomo 215

225 7. Baterías formados durante la oxidación (carga y descarga) de las celdas, guía EPRI TR REV 2 STATINARY BATERRY RC AC1. 1. Cambie de celda cuando por degradación, el sello presente abertura franca con liberación de vapores ácidos que provoquen el deterioro de la placa de interconexión. 2. Reemplace aquellas celdas que presenten desprendimiento interior de partículas de plomo que se depositen sobre las placas positivas y negativas, pudiendo su acumulación provocar un corto circuito interno. n) Inspeccione el estado de las placas y separadores de cada celda. o) Verifique la limpieza del banco de baterías. 1. Si se observa polvo en la cubierta de las celdas y sus recipientes, limpie con trapo humedecido con agua limpia. Si las cubiertas de las celdas están salpicadas con electrolito, limpie con un trapo humedecido con una solución de bicarbonato de sodio y agua desmineralizada mezclados en una proporción de ½ Kg. de bicarbonato de sodio por 5 litros de agua. Enseguida limpie con un trapo humedecido con agua limpia y seque con un trapo limpio. 2. Verifique que no hay corrosión visible entre terminales de cada conexión de celda a celda. Si observa señales de corrosión y/o sulfatación en los conectores del banco o en las terminales de las celda, límpielas hasta donde sea posible frotando con un tapo humedecido con agua desmineralizada y seque con un trapo limpio, (sin desconectar la barra). p) Después de terminada la limpieza en las áreas con corrosión y/o sulfatación, verifique que la resistencia óhmica de las interconexiones de 216

226 7. Baterías celda, terminales o conectores afectados, cumplen con los parámetros establecidos, los cuales deben ser: para bancos de 125 V (Div. I y II) menor o igual a 50 µω; para Div. III 360 µω; para bancos de baterías de 24 V menor o igual 100 µω y para bancos de baterías de 250 V menor o igual 50 µω. 1. Aplique grasa NO-OXID en las placas de conexión entre celdas, en los postes de las celdas y conectores de los cables que conectan en las celdas, incluyendo las superficies de contacto, deberá ser una película delgada y uniforme que cubra la totalidad de la superficie expuesta, debiendo para esto remover el excedente de grasa aplicando presión con el dedo índice y arrastrándolo longitudinalmente en la placa de conexión entre celdas. 2. Si la prueba de resistencia óhmica no cumple con los parámetros establecidos procédase a efectuar un reapriete de acuerdo a lo indicado en el ANEXO No Si la resistencia óhmica continúa sin cumplir efectúe un apriete inicial de acuerdo a lo indicado en el ANEXO No

227 8. Aplicaciones de los sistemas de CD 8 APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE CD. En el ámbito de la baja tensión, la corriente directa se utiliza para diversas aplicaciones, como la conversión a otras formas de energía eléctrica (plantas fotovoltaicas, sobre todo allí donde se utilicen baterías de acumuladores), tracción eléctrica (líneas de tranvía, trenes metropolitanos), alimentaciones de servicios de emergencia o auxiliares, instalaciones industriales particulares (procesos electrolíticos). El uso de corriente directa se requiere a menudo en numerosas aplicaciones industriales, tales como, hornos de arco, plantas de electrosoldadura, plantas de fabricación de grafito o plantas de producción y refinado de metales. Se utiliza corriente continua (directa o indirectamente) para todas aquellas plantas en la que la continuidad del servicio constituya un requisito fundamental. Tales plantas, que no pueden tolerar un corte de suministro eléctrico, por ejemplo, en sistemas de control de procesos, instalaciones de seguridad y emergencia (alumbrado y alarmas), aplicaciones de hospital, telecomunicaciones, aplicaciones en el ámbito del procesamiento de datos (centros de datos, estaciones de trabajos, servidores, etc.). Figura 8.1 Planta fotovoltaica que transforman energía solar en corriente directa. 8.1 Aplicaciones de motores de corriente directa. Los motores de corriente directa son apropiados cuando se requiere gran precisión de velocidad o posición, en general se emplean en configuración de 218

228 8. Aplicaciones de los sistemas de CD excitación separada, ya que con esta conexión es posible desacoplar las variables y establecer estrategias de control lineal. La aplicación de los motores de CD se lleva a cabo en potencias bajas o medias y velocidades no muy altas. La velocidad queda limitada desde el punto de vista del desgaste del colector y las escobillas, además, para potencias altas la diferencia de potencial entre delgas es muy alta lo cual desgasta prematuramente el colector debido a los grandes arcos eléctricos que se producen por el efecto de armadura. También, la existencia de chisporroteo en el colector (aún en los casos en que la máquina cuenta con interpolos) hace que los motores de CD sean prohibitivos en ambientes de trabajo donde existan gases o materiales inflamables. Los motores de CD son menos robustos, requieren mucha mantención y tiene un mayor volumen y peso por unidad de potencia, motivo por el cual están siendo remplazados por motores de alterna, especialmente motores de inducción tipo jaula de ardilla. El motor en derivación se utiliza en aplicaciones de velocidad constante, como en los accionamientos para los generadores de corriente directa en los grupos moto generadores de corriente directa. El motor devanado en serie se usa en aplicaciones en las que se requiere un alto par de arranque, como en la tracción eléctrica, grúas, malacates, etc. En los motores compuestos la caída de la curva característica par-velocidad se puede ajustar para que se adecue la carga. El motor compuesto diferencial presenta el peligro de embalarse para fuertes cargas, por lo que su empleo es muy limitado. Los motores de imán permanente se emplean para el movimiento de maquinaria (tornos) en procesos de fabricación automática, arrastre de cintas de audio y video, movimiento de cámaras, etc. 219

229 8. Aplicaciones de los sistemas de CD En los puntos que siguen se muestran las aplicaciones más comunes de motores eléctricos de corriente continua Aplicaciones domésticas. Tabla 8.1 Aplicaciones domesticas de motores de CD Aplicación Automóvil: motor de arranque, limpiaparabrisas, alza vidrios eléctrico, etc. Audio-video: caseteras, lector de CD, video, etc. Tipo de Motor Motores de CD Motores de CD Aplicaciones en transporte. Figura 8.2 Motor de corriente directa de 325 kw usado en un cilindro tensor de alimentación de tiras. Tabla 8.2 Aplicaciones en transporte de motores de CD Aplicación Metro Automóviles eléctricos: Autos, motos, camiones, etc. Tipo de Motor Los antiguos carros del Metro empleaban motores de CD en configuración serie. Se han usado motores de CD en configuración serie (configuración traccionaria). En la actualidad, aún existe mayor número de motores de CD, principalmente debido a su tecnología de control ya consolidada, pero los motores de inducción han ido ganando terreno en forma progresiva. 220

230 8. Aplicaciones de los sistemas de CD Aplicaciones industriales. Tabla 8.3 Aplicaciones industriales de motores de CD Aplicación Servicios de agua potable: Tipo de Motor Motor de inducción tipo jaula de ardilla. Bombas hidráulicas Embotelladoras: Correa transportadora de envases. Imprenta: Prensa, rodillos de papel, etc. Aserraderos: Sierras. Papelera: Rodillos. Industria de cemento: Motor de CD (debido a la precisión de posición requerida). Motor de CD (debido a la precisión de posición requerida para la prensa y a la precisión del torque y velocidad en los rodillos). Motor de Inducción jaula de ardilla (desde el punto de vista flicker son menos nocivos los motores síncronos, sin embargo a potencias medias los motores de inducción ( [HP]) son mucho más económicos). Motor de CD (debido a la precisión de torque y velocidad requeridos, ya que el papel es frágil y si se corta el rollo debe reciclarse completo). Motor de CD Hornos rotatorios. Barcos: Elevador de ancla. Acerías: Cintas transportadoras, sierra. Motor de inducción rotor bobinado (alto torque de partida y menos perturbador del sistema que el motor jaula de ardilla). Las cintas se mueven mediante motores de CD debido a la alta precisión requerida en el posicionamiento (el proceso de producción es totalmente continuo, ya que el tubo o lámina de acero no se interrumpe). La sierra rota gracias a un motor de inducción trifásico, pero su posicionamiento (en el punto de corte) se realiza a través de un motor de CD Otras aplicaciones: Cintas transportadoras. Motores de CD o motor de inducción jaula de ardilla (dependiendo de la precisión requerida) Elevadores, montacargas. Motores de inducción jaula de ardilla. 221

231 8. Aplicaciones de los sistemas de CD Grúas Robots Ascensores Máquinas de precisión: Fresas, tornos, etc. Motores de inducción jaula de ardilla en los ejes de menor precisión y motor de CD en la pluma. Motor de CD Motor de CD (más antiguo) y motor de inducción jaula de ardilla (nuevo). Motor de CD Figura 8.3 Motor de corriente directa de 746 kw usado para la molienda de caña de azúcar en la industria. 8.2 Aplicaciones de generadores de corriente directa. El papel más importante que desempeña el generador de corriente continua es alimentar de electricidad al motor de corriente continua. En esencia produce corriente libre de rizo y un voltaje fijo de manera muy precisa a cualquier valor deseado desde cero hasta la máxima nominal; ésta es en realidad corriente eléctrica de corriente directa que permite la mejor conmutación posible en el motor, porque carece de la forma de las ondas bruscas de energía de corriente continua de los rectificadores. El generador tiene una respuesta excelente y es particularmente apropiado para el control preciso de salida por reguladores de retroalimentación de control además de estar bien adaptado para producir corriente de excitación de respuesta y controlada en forma precisa tanto para máquinas de corriente alterna como para máquinas de corriente continua. El campo de aplicación del generador con excitación independiente, es general, 222

232 8. Aplicaciones de los sistemas de CD siempre que se disponga de una línea independiente de corriente continua. Sin embargo, debe hacerse la advertencia de que estas máquinas nunca deben trabajar en cortocircuito, pues existe el peligro de quemarlas; esto procede, según puede comprenderse fácilmente de la independencia entre el circuito inducido y el circuito de excitación. Básicamente, los generadores con excitación independiente tienen, dos aplicaciones típicas: una, como amplificador-multiplicador; y la otra, como tacómetro. Los generadores con excitación serie ya no se emplean en las centrales. Se emplearon hace ya algún tiempo para la alimentación de grandes circuitos de lámparas de arco, pero estas lámparas han sido sustituidas por otros tipos más modernos, como por ejemplo, las lámparas de xenón. Los generadores con excitación en serie tienen aplicación en aquellas actividades en las que se precise una intensidad prácticamente constante, como puede ser en equipos de soldaduras y en determinados sistemas de alumbrados. Los generadores compuestos tienen aplicación en las centrales para tracción eléctrica que precisan de una tensión constante y en todos aquellos casos en que se haya de contar con variaciones bruscas de carga, como sucede en los talleres con grúas de gran potencia, laminadores, etcétera; suponiendo que no se disponga de sistemas compensadores, y que se desee la mayor constancia posible para la tensión en las barras colectoras. También puede emplearse en pequeñas instalaciones que precisen de tensión constante, sustituyendo al generador shunt, para evitar una vigilancia continua a causa de las variaciones de carga; sin embargo, hay que tener en cuenta que, en este caso, la autorregulación no es perfecta por lo que, en instalaciones de mayor importancia en que se desee una tensión constante sin vigilancia, debe sustituirse el generador compuesto por otros procedimientos. Los generadores con excitación mixta (compuestos) son utilizados en el 223

233 8. Aplicaciones de los sistemas de CD sistema de generación de energía eléctrica de corriente continua en aviones polimotores, en los que existe un generador para cada motor y se realiza un acoplamiento en paralelo de los mismos para atender a toda la energía eléctrica necesaria. 8.3 Procesos electroquímicos. La electroquímica es una rama de la química que estudia la transformación entre la energía eléctrica y la energía química. En otras palabras, las reacciones químicas que se dan en la interface de un conductor eléctrico (llamado electrodo, que puede ser un metal o un semiconductor) y un conductor iónico (el electrolito) pudiendo ser una disolución y en algunos casos especiales, un sólido. Una reacción electroquímica la podemos definir como una reacción redox en la que el intercambio de electrones tiene lugar en un electrodo. El cambio químico es producido por el intercambio de electrones realizado entre un electrodo y un aceptor o donador de electrones en una disolución. Una sustancia: se oxida cuando cede electrones Agente reductor se reduce cuando acepta electrones Agente oxidante Proceso redox: todo proceso de oxidación va acompañado de otro simultáneo de reducción y viceversa. En los procesos redox se produce un cambio en la estructura electrónica de dos o más átomos cambio en el número de oxidación. Se diferencia de una reacción química redox en que el donador o aceptor de electrones, es el electrodo (al que se comunica un potencial eléctrico) donde se realiza la transferencia electródica, cambiando de un medio homogéneo (reacción química) a un medio heterogéneo (reacción electroquímica). Si una reacción química es conducida mediante una diferencia de potencial aplicada externamente, se hace referencia a una electrólisis. En cambio, si la caída de potencial eléctrico es creada como consecuencia de la reacción 224

234 8. Aplicaciones de los sistemas de CD química, se conoce como un "acumulador de energía eléctrica", también llamado batería o celda galvánica. El proceso electroquímico puede estar controlado por el transporte de masa (es decir, la rapidez con que se le suministra materia al electrodo) o por la velocidad de transferencia de carga. Por ello comúnmente se habla de procesos controlados por transporte (de masa) o por cinética (de transferencia de carga). Figura 8.4 Proceso electroquímico Términos de electroquímica. a) Las reacciones de reducción-oxidación son las reacciones de transferencia de electrones. Esta transferencia se produce entre un conjunto de elementos químicos, uno oxidante y uno reductor (una forma reducida y una forma oxidada respectivamente). En dichas reacciones la energía liberada de una reacción espontánea se convierte en electricidad o bien se puede aprovechar para inducir una reacción química no espontánea. b) Las reacciones electroquímicas se pueden balancear por el método ion-electrón donde la reacción global se divide en dos semireacciones (una de oxidación y otra de reducción), se efectúa el balance de carga y elemento, agregando H +, OH, H 2 O y/o electrones para compensar los cambios de oxidación. 225

235 8. Aplicaciones de los sistemas de CD Antes de empezar a balancear se tiene que determinar en qué medio ocurre la reacción, debido a que se procede de una manera en particular para cada medio. c) Electrólito. Sustancia conductora de la corriente eléctrica en disolución. d) Electrodo. Conductores, normalmente metálicos, puestos en contacto con la disolución de electrólito. e) Cuba electroquímica. Recipiente que contiene a la disolución y a los electrodos. f) Pila, célula o celda electroquímica. Conjunto de electrodos, cable, disolución y cuba. g) Ánodo. Electrodo donde se produce la oxidación de un electrólito. h) Cátodo. Electrodo donde se produce la reducción. i) El potencial, (como función de la energía libre del sistema), constituye la fuerza de empuje de una reacción electroquímica y por lo tanto representa el factor termodinámico. j) La intensidad es una medida de la cantidad de materia transformada en la unidad del tiempo y por tanto, representa factores cinéticos. Comúnmente representamos intensidad frente a potencial. Es decir, representamos la velocidad de una reacción (intensidad) como función de la fuerza de empuje (potencial) Celda electroquímica. Una celda electroquímica es un dispositivo capaz de obtener energía eléctrica a partir de reacciones químicas (o bien, de producir reacciones química a 226

236 8. Aplicaciones de los sistemas de CD través de la introducción de energía eléctrica, cuando se esté cargando la celda). Un ejemplo común de celda electroquímica es la pila (por ejemplo, la estándar de 1.5 voltios o la recargable de 1.2), que es una celda galvánica simple, mientras una batería consta de varias celdas conectadas en serie o paralelo. Hay dos tipos fundamentales de celdas y en ambas tiene lugar una reacción redox, y la conversión o transformación de un tipo de energía en otra: 1. La celda galvánica o celda voltaica transforma una reacción química espontánea en una corriente eléctrica, como las pilas y baterías (produce trabajo). 2. La celda electrolítica transforma una corriente eléctrica en una reacción química de oxidación-reducción que no tiene lugar de modo espontáneo. En muchas de estas reacciones se descompone una sustancia química por lo que dicho proceso recibe el nombre de electrolisis. También se la conoce como cuba electrolítica. A diferencia de la celda voltaica, en la célula electrolítica, los dos electrodos no necesitan estar separados, por lo que hay un sólo recipiente en el que tienen lugar las dos semireacciones. Figura 8.5 Celda electrolítica, mostrando los electrodos y la fuente de alimentación que genera la corriente eléctrica. 227

237 8. Aplicaciones de los sistemas de CD Las celdas o células galvánicas se clasifican en dos grandes categorías: 1. Las células primarias transforman la energía química en energía eléctrica, de manera irreversible (dentro de los límites de la práctica). Cuando se agota la cantidad inicial de reactivos presentes en la pila, la energía no puede ser fácilmente restaurada o devuelta a la celda electroquímica por medios eléctricos. Las celdas galvánicas primarias pueden producir corriente inmediatamente después de su conexión. Las pilas desechables están destinadas a ser utilizadas una sola vez y son desechadas posteriormente. 2. Las células secundarias pueden ser recargadas, es decir, que pueden revertir sus reacciones químicas mediante el suministro de energía eléctrica a la celda, hasta el restablecimiento de su composición original. Las celdas galvánicas secundarias deben ser cargadas antes de su uso; por lo general son ensambladas con materiales y objetos activos en el estado de baja energía (descarga). Las celdas galvánicas recargables o pilas galvánicas secundarias se pueden regenerar (coloquialmente, recargar) mediante la aplicación de una corriente eléctrica, que invierte la reacciones químicas que se producen durante su uso Corrosión electroquímica. La corrosión electroquímica es un proceso espontáneo que denota siempre la existencia de una zona anódica (la que sufre la corrosión), una zona catódica y un electrolito, y es imprescindible la existencia de estos tres elementos, además de una buena unión eléctrica entre ánodos y cátodos, para que este tipo de corrosión pueda tener lugar. 228

238 8. Aplicaciones de los sistemas de CD La corrosión más frecuente siempre es de naturaleza electroquímica y resulta de la formación sobre la superficie metálica de multitud de zonas anódicas y catódicas; el electrolito es, en caso de no estar sumergido o enterrado el metal, el agua condensada de la atmósfera, para lo que la humedad relativa deberá ser del 70%. El proceso de disolución de un metal en un ácido es igualmente un proceso electroquímico. La infinidad de burbujas que aparecen sobre la superficie metálica revela la existencia de infinitos cátodos, mientras que en los ánodos se va disolviendo el metal. A simple vista es imposible distinguir entre una zona anódica y una catódica, dada la naturaleza microscópica de las mismas (micropilas galvánicas). Al cambiar continuamente de posición las zonas anódicas y catódicas, llega un momento en que el metal se disuelve totalmente Aplicaciones de procesos electroquímicos. Hay varias aplicaciones electroquímicas importantes en el marco de la naturaleza y de la industria. La generación de energía química en la fotosíntesis es también un proceso electroquímico, así como la producción de metales como aluminio y titanio y en el proceso de galvanización con metales. En el mecanismo de los alcoholímetros también aparece la electroquímica, donde un metal se oxida mediante electro deposición y se detecta el nivel de alcohol de los conductores ebrios gracias a la redox del etanol. Los impulsos nerviosos en las neuronas están basados en la energía eléctrica generada por el movimiento de los iones de sodio y potasio hacia dentro y hacia afuera de las células. Ciertas especies de animales, como las anguilas, pueden generar un fuerte potencial eléctrico capaz de incapacitar animales mucho mayores que las mismas. Algunas de las aplicaciones más importantes de los procesos electroquímicos en el ámbito industrial son: 229

239 8. Aplicaciones de los sistemas de CD En la obtención de hidrogeno y oxígeno. Algunos aparatos eléctricos necesitan aluminio y titanio, la electroquímica es utilizada en el proceso de galvanización de dichos. Las pilas eléctricas. Las investigaciones neurológicas requieren de aparatos eléctricos que a su vez miden la energía eléctrica generada por el movimiento de los iones de sodio y potasio hacia dentro y hacia afuera de las células, lo cual es un proceso electroquímico. Electrocoagulación de aguas residuales industriales. Electro-flotación de aguas residuales industriales. Electro-remediación de suelos. Electrónica de control. Telecomunicaciones. Electrónica de potencia. 8.4 Procesos electrolíticos. Figura 8.6 Esquema de un alcoholímetro mediante una celda electroquímica. La electrólisis es la descomposición química de una sustancia por medio de la electricidad (electro = electricidad y lisis = destrucción). El proceso electrolítico consiste en hacer pasar una corriente eléctrica a través de un electrolito (sustancia conductora), entre dos electrodos conductores denominados ánodo y cátodo. Donde los cambios ocurren en los electrodos. Cuando conectamos los electrodos con una fuente de energía (generador de corriente directa), el electrodo que se une al polo positivo del generador es el 230

240 8. Aplicaciones de los sistemas de CD ánodo y el electrodo que se une al polo negativo del generador es el cátodo. Una reacción de electrólisis puede ser considerada como el conjunto de dos medias reacciones, una oxidación anódica y una reducción catódica. La cantidad de producto que se forma durante una electrólisis depende de los 2 factores siguientes: Figura 8.7 Elementos que intervienen en un proceso electrolítico. 1. De la cantidad de electricidad que circula a través de la pila electrolítica. 2. De la masa equivalente de la sustancia que forma el electrólito. La cantidad de electricidad que circula por una cuba electrolítica puede determinarse hallando el producto de la intensidad de la corriente, expresada en amperios por el tiempo transcurrido, expresado en segundos. Es decir: Tras efectuar múltiples determinaciones, Faraday enunció las 2 leyes que rigen la electrólisis y que son las siguientes: a. Primera Ley de Faraday: La cantidad de cualquier elemento (radical o grupo de elementos) liberada ya sea en el cátodo o en el ánodo durante la electrólisis, es proporcional a la cantidad de electricidad que atraviesa la solución. Así, por ejemplo, para liberar 96 gramos de oxígeno se necesitan 12 Faraday de electricidad. Se denomina equivalente electroquímico de una sustancia a la masa en 231

241 8. Aplicaciones de los sistemas de CD gramos de dicha sustancia depositada por el paso de un culombio. Donde: m: masa que se ha depositado (g) P: peso atómico del elemento (g/mol) n: número de electrones intercambiados (valencia del metal) I: intensidad de la corriente (A) t: tiempo (s) 96500: factor de equivalencia entre el Faraday y el culombio, ya que 1F = 96500C (A s/mol) b. Segunda Ley de Faraday: La cantidad de diferentes sustancias depositadas o disueltas por una misma cantidad de electricidad, son directamente proporcionales a sus respectivos pesos equivalentes. Por ejemplo, si la corriente eléctrica se hace pasar por una serie de celdas electrolíticas que contienen distintas sustancias, la cantidad de electricidad que circula a través de cada electrodo es la misma y las cantidades de elementos liberados son proporcionales a sus respectivos pesos equivalentes. Como la cantidad de electricidad en Coulomb es igual al producto de la intensidad de la corriente I en ampere por el tiempo t en segundos que ha pasado la corriente, combinando las dos leyes resulta que la masa m del material depositado o disuelto en cada electrodo será igual a lo siguiente: 232

242 8. Aplicaciones de los sistemas de CD Donde: I: ampere. t: tiempo en segundos. A: peso atómico. F: Faraday. n: valencia Significado del número de Avogadro en la electrólisis. La carga del electrón es 1.602x10-19 coulomb absolutos de electricidad. De aquí 96500/1.602x10-19 = 6.02x10 23 que es el número de electrones en un Faraday. En otras palabras, 1 Faraday de electricidad está asociado con un número de Avogadro de partículas de carga unitaria, correspondiente a la carga de un equivalente-gramo de sustancia, que serán electrones que les falta si se trata de cationes o de electrones que les sobre en cada caso de aniones. Un Faraday es un número de Avogadro de electrones, de la misma manera que un mol es número de Avogadro de moléculas. La determinación experimental del valor del Faraday y la carga del electrón, proporcionó uno de los mejores métodos para determinar el Número de Avogadro Aplicaciones de la electrólisis. La separación de los elementos de los electrólitos (disueltos o fundidos) se utiliza industrialmente para obtener gases puros como el hidrógeno y el oxígeno y obtener metales refinados como el hierro, cobre, aluminio, magnesio, potasio, etc. La electrolisis es una tecnología muy importante, debido a que permite recubrir materiales baratos y muy accesibles con capas de diferentes metales. La descomposición electrolítica es la base de un gran número de procesos de extracción y fabricación muy importantes en la industria moderna. Una aplicación importante se encuentra en la galvanoplastia y galvanostegia: 233

243 8. Aplicaciones de los sistemas de CD a) La galvanoplastia: Consiste en obtener copias metálicas de algunos objetos, con huecos y relieves. Entre los productos que se pueden citar para esta técnica podríamos señalar lozas y porcelanas. b) La galvanostegia: Consiste en recubrir los metales de una capa metálica resistente para darles un mejor aspecto o para aumentar su duración y resistencia a la corrosión. Entre las aplicaciones podemos citar el galvanizado (cincado), cobreado, latonado, plateado, dorado, etc. i. Galvanizado: Técnica electrolítica que se realiza con el fin de cubrir metales con una capa de zinc. Por ejemplo, las planchas para techados de construcciones. ii. Cobreado: Técnica que se emplea para recubrir de cobre algunos objetos (se utiliza CuSO 4 como electrólito). iii. Cobre electrolítico: el proceso de obtención del cobre electrolítico es una derivación de la técnica de cobreado. El cobre electrolítico consiste en una placa de cobre catódico, en donde los iones Cu++ de una solución se han reducido y adherido al cátodo de una celda electrolítica. Otra aplicación industrial de los procesos electrolíticos es el niquelado electrolítico, el cual es el proceso de formación de un revestimiento metálico de níquel sobre una superficie, sin importar el grosor del revestimiento, ni el metal base en el cual se encuentra el electrodepósito. También se le llama Niquelado al proceso mediante el cual se realiza una metalización de níquel a pistola. La soda o sosa cáustica (un producto químico importante para la fabricación de papel, rayón y película fotográfica) se produce por la electrólisis de una disolución de sal común en agua. La reacción produce cloro y sodio. El sodio reacciona a su vez con el agua de la pila electrolítica produciendo sosa cáustica. El cloro obtenido se utiliza en la fabricación de pasta de madera y 234

244 8. Aplicaciones de los sistemas de CD papel. El horno eléctrico es una aplicación industrial importante de la electrólisis, que se utiliza para la producción de aluminio, magnesio y sodio. En este horno, se calienta una carga de sales metálicas hasta que se funde y se ioniza. A continuación, se deposita el metal electrolíticamente. El refinado electrolítico es un método que se utiliza para refinar el plomo, el estaño, el cobre, el oro y la plata. La ventaja de extraer o refinar metales por procesos electrolíticos es que el metal depositado es de gran pureza. Figura 8.8 Electrolisis del óxido de aluminio. 235

245 CONCLUSIONES CONCLUSIONES Los primeros sistemas eléctricos de corriente directa utilizados como motores, generadores o baterías, fueron sustituidos, principalmente los primeros 2, por sus similares pero en corriente alterna, lo cual les dejo un reducido campo de aplicación en la industria, pero aun así una importante aplicación, especialmente en sistemas que requieren un control exacto en producción y velocidad, y siendo principalmente ocupados para el uso electrodoméstico. Pero las nuevas tecnologías han exigido una nueva demanda de sistemas eléctricos que usan corriente directa, principalmente en el campo de las baterías para automóviles eléctricos y gadgets, así como en los sistemas de alto voltaje en corriente directa, principalmente en las líneas de transmisión de corriente directa que son ocupadas para transmitir potencia a largas distancias. Hablando especialmente de la experiencia educativa, sistemas eléctricos de corriente directa, es una de las más extensas en cuanto a contenido, al contener 8 capítulos o unidades, lo cual la hace una materia saturada, hablando en el aspecto de horas por cada tema o capitulo. Es muy corto el tiempo que se dedica a cada tema y unidad, pues el semestre cuenta con un tiempo aproximado de 15 semanas y si la experiencia educativa se da por 5 horas a la semana, resultando un aproximado de 75 horas al semestre, para exponer los temas y contenidos de la experiencia educativa. Cada uno de los 8 capítulos contiene entre 4 y 7 temas, lo cual deriva a que se expongan un tema cada 2 o 3 días o 1 por día, tomando en cuenta que hay temas más largos que otros, es decir, que uno se dé en 4 o 5 días y otros se den en tan solo 1 o 2 días, lo cual deja ajustado el tiempo, para la enseñanza del maestro y aprendizaje del alumno. La experiencia educativa, máquinas rotatorias de corriente directa, era su equivalente, a sistemas eléctricos de corriente directa, pero en la carrera de ingeniería mecánica eléctrica, y allí solo se veían los primeros 4 capítulos del actual plan de estudios, introducción a sistemas de corriente directa, motores y 236

246 CONCLUSIONES generadores de corriente directa así como normas y pruebas para máquinas de corriente directa, más sus respectivas prácticas, y aun así, el tiempo para cada capítulo y sus temas ya era ajustado. Para la asignatura de sistemas eléctricos de corriente directa, se agregan otros 4 capítulos, siendo el capítulo 5, sistemas de alto voltaje en corriente directa, el más largo de todos los capítulos, pues contiene 7 temas, que en su mayoría serán nuevos para el alumno, pues contiene temas con una tecnología nueva e innovadora para México. Por esta razón, se requiere ver más a fondo el contenido de cada uno de los temas del capítulo 5, como el tipo de tecnología, sistemas, configuraciones, conexiones, etc., para poder entender y comprender el contenido del mismo, pues es el futuro en la transmisión de potencia. Al capítulo 5 le siguen 2 capítulos nuevos, para la currícula de ingeniería eléctrica, el capítulo de baterías y vehículos eléctricos, y por último el capítulo, aplicaciones de sistemas eléctricos, el cual considera los temas de electroquímica. Por esta razón, pienso que es muy corto el tiempo que se le da para esta experiencia educativa o a la vez es muy extenso el contenido para un solo semestre, tomando en cuenta que también se deben hacer prácticas para reforzar el conocimiento teórico, aprendido en clase, pues no es lo mismo ver las partes y funcionamiento de un motor o generador de corriente directa en papel, que mirarlo físicamente en marcha o trabajo así como estudiar los elementos de los mismos en una máquina real. No por esto, algunos capítulos y temas de sistemas eléctricos de corriente directa deben ser reducidos o suprimidos, al contrario, se deben abordar para tener una completa y mejor formación como ingenieros, pues los sistemas eléctricos de corriente directa son comunes en la industria así como en la vida diaria, por tal razón, se debe tomar en cuenta que es muy corto el tiempo (1 semestre) para tan extenso contenido. 237

247 Anexos ANEXOS. Anexo nº 4. (1/2) 238

248 Anexos Anexo nº 4. (2/2) 239

249 Anexos Anexo nº

250 Anexos Anexo nº