Laboratorio Virtual de Electrotecnia

Laboratorio virtual de Electrotecnia

Prácticas de Corriente Alterna y de Máquinas Eléctricas

CONSEJERÍA DE EDUCACIÓN

Moisés San Martín Ojeda

José Andrés Serrano Sanz

Eduardo P. Parra Gonzalo

CONSEJERÍA DE EDUCACIÓN

Este libro ha sido financiado por la Consejería de Educación de

la Junta de Castilla y León en la Convocatoria 2003-2004 de concesión

de ayudas para la elaboración de recursos de apoyo y experiencias

innovadoras en la enseñanza de las Universidades de Castilla y León.

Acerca del libro

Este libro surge como libro de apoyo para las prácticas de Corriente Alterna y de

Máquinas Eléctricas para las distintas asignaturas en las que se imparten estas materias.

El libro va acompañado de un software que permite la conexión con aparatos de

medida industriales (con protocolo ModBUS). La función de este programa será le

almacenamiento de los datos, así como su presentación en pantalla en forma de

esquemas, gráficos, diagrama fasoriales, etc. El software viene configurado para un

número determinado de ensayos, pero es posible añadir nuevos ensayos.

Por otra parte, este software (junto con el texto del libro) es posible usarlo en

modo de simulación, es decir, trabajar con los datos obtenidos en los ensayos reales de

laboratorio. Para tal fin, el programa viene acompañado de ejemplos obtenidos en

laboratorio. Además, se pueden incorporar nuevos datos de laboratorio para analizar

fuera del mismo.

El uso del libro no tiene por qué estar restringido a las prácticas de laboratorio.

Es posible preparar problemas de corriente alterna y de máquinas eléctricas con los

datos reales procedentes de las medidas eléctricas.

Laboratorio virtual de Electrotecnia

Octubre 2004

Moisés San Martín Ojeda

[email protected]

ISBN: 84-609-2648-6

Índice

Capítulo 1

Práctica de medidas eléctricas en circuitos monofásicos

1 Objetivos _________________________________________________________ 2

2 Magnitudes fundamentales en corriente alterna__________________________ 2

2.1 Circuitos monofásicos____________________________________________ 2

2.2 Diagrama fasorial _______________________________________________ 4

2.3 Mejora del factor de potencia ______________________________________ 5

3 Aparatos de medida y esquemas eléctricos_______________________________ 6

3.1 Esquemas eléctricos _____________________________________________ 6

4 Ensayos __________________________________________________________ 7

4.1 Obtener el diagrama fasorial de los distintos elementos electricos__________ 7

4.1.1 Obtener el diagrama fasorial de una resistencia _________________________________7

4.1.2 Obtener el diagrama fasorial de un condensador_________________________________9

4.1.3 Obtener el diagrama fasorial de una autoinducción_______________________________9

4.1.4 Obtener el diagrama fasorial de un circuito cualquiera ___________________________10

4.2 Mejorar el factor de potencia de una carga monofásica _________________ 10

5 Reproducción de ensayos a partir de datos almacenados (Laboratorio virtual) 12

5.1 Obtener el diagrama fasorial de los distintos elementos electricos_________ 12

5.1.1 Obtener el diagrama fasorial de una resistencia ________________________________12

5.1.2 Obtener el diagrama fasorial de un condensador________________________________14

5.1.3 Obtener el diagrama fasorial de una autoinducción______________________________15

5.1.4 Obtener el diagrama fasorial de un circuito cualquiera ___________________________16

5.2 Mejorar el factor de potencia de una carga monofásica _________________ 17

Capítulo 2

Práctica de medidas eléctricas en circuitos trifásicos

1 Objetivos ________________________________________________________ 20

2 Magnitudes fundamentales en corriente alterna_________________________ 20

2.1 Circuitos trifásicos _____________________________________________ 20

2.2 Diagrama fasorial ______________________________________________ 22

2.3 Mejora del factor de potencia _____________________________________ 23

3 Ensayos _________________________________________________________ 24

3.1 Mejora del factor de potencia de un motor trifásico ____________________ 25

4 Reproducción de ensayos a partir de datos almacenados (Laboratorio virtual) 26

4.1 Mejora del factor de potencia de un motor trifásico ____________________ 26

4.1 Determinar la variación del factor de potencia con la carga de un motor____ 28

Índice

Capítulo 3

Práctica con transformador monofásico

1. Objetivos ________________________________________________________ 30

2. Introducción teórica a los transformadores eléctricos ____________________ 30

2.1. Transformador monofásico_______________________________________ 30

3. Ensayos _________________________________________________________ 33

3.1. Ensayo del transformador monofásico en vacío _______________________ 33

3.2. Ensayo del transformador monofásico en cortocircuito _________________ 35

3.3. Ensayo del transformador monofásico en carga _______________________ 36

4. Reproducción de ensayos a partir de datos almacenados (Laboratorio virtual) 37

4.1. Ensayo del transformador monofásico en vacío _______________________ 37

4.2. Ensayo del transformador monofásico en cortocircuito _________________ 39

4.3. Ensayo del transformador monofásico en carga ______________________ 39

Capítulo 4

Práctica con transformador trifásico

1. Objetivos ________________________________________________________ 42

2. Introducción teórica a los transformadores eléctricos ____________________ 42

2.1. Sistemas eléctricos de potencia____________________________________ 42

2.2. Transformador trifásico__________________________________________ 44

3. Ensayos _________________________________________________________ 45

3.1. Ensayo del transformador trifásico en vacío__________________________ 45

3.2. Ensayo del transformador trifásico en cortocircuito____________________ 46

3.3. Ensayo del transformador trifásico en carga__________________________ 47

3.4. Obtención experimental de los índices horarios _______________________ 48


4.1. Ensayo del transformador trifásico en vacío__________________________ 49

4.2. Ensayo del transformador trifásico en cortocircuito____________________ 51

4.3. Ensayo del transformador trifásico en carga__________________________ 51

Índice

Capítulo 5

Práctica de funcionamiento del motor de inducción

1. Objetivos ________________________________________________________ 54

2. Máquina asíncrona o de inducción ___________________________________ 54

2.1. Introducción teórica de la máquina asíncrona_________________________ 54

2.2. Diagrama fasorial y diagrama del círculo de la máquina asíncrona ________ 56

3. Ensayos _________________________________________________________ 58

3.1. Obtención de la variación de velocidad ante variaciones de tensión _______ 58

3.2. Obtención de las curvas ante variaciones de potencia (Diagrama del círculo) 60


4.1. Obtención de la variación de velocidad ante variaciones de tensión _______ 63

4.1. Obtención de las curvas ante variaciones de potencia (Diagrama del círculo) 64

Capítulo 6

Prácticas de arranques y variación de velocidad de los

motores de inducción

1. Objetivos ________________________________________________________ 72

2. Arranque de los motores asíncronos trifásicos __________________________ 72

2.1. Introducción a los arranques ______________________________________ 74

2.2. Arranque directo _______________________________________________ 74

2.3. Arranque estrella - triángulo ______________________________________ 75

2.4. Arranque con autotransformador __________________________________ 78

2.5. Arranque por inserción de resistencias estatóricas _____________________ 79

2.6. Arrancador electrónico __________________________________________ 80

3. Variación de velocidad del motor de inducción__________________________ 81

3.1. Motor Dahlander_______________________________________________ 81

3.2. Convertidor de frecuencia________________________________________ 83

4. Ensayos _________________________________________________________ 85

4.1. Arranque de motores____________________________________________ 85

4.2. Variación de velocidad __________________________________________ 85

Índice

Capítulo 7

Práctica de variación de velocidad de motores de cc

1. Objetivos ________________________________________________________ 88

2. Introducción teórica _______________________________________________ 88

2.1. Motores de corriente continua_____________________________________ 88

2.2. Tipos de excitaciones en la máquina de corriente continua ______________ 89

2.3. Velocidad en motores de corriente continua__________________________ 92

3. Ensayos _________________________________________________________ 93

3.1. Variación de velocidad del motor de corriente continua con la tensión aplicada

y con el flujo _______________________________________________________ 93

3.2. Variación de velocidad del motor de c.c. independiente con la carga______ 95

3.3. Variación de velocidad del motor de c.c. shunt con la carga_____________ 97

3.2. Variación de velocidad del motor de c.c. serie con la carga _____________ 99


4.1. Variación de velocidad del motor de corriente continua con la tensión aplicada

y con el flujo ______________________________________________________ 101

4.2. Variación de velocidad del motor de c.c. independiente con la carga_____ 103

4.3. Variación de velocidad del motor de c.c. shunt con la carga____________ 104

4.2. Variación de velocidad del motor de c.c. serie con la carga ____________ 106

Capítulo 8

Práctica con el alternador síncrono

1. Objetivos _______________________________________________________ 110

2. Máquina síncrona________________________________________________ 110

2.1. Introducción teórica de la máquina síncrona_________________________ 110

2.2. Planteamiento del análisis de la máquina síncrona____________________ 111

2.3. Resolución del problema de análisis de la máquina síncrona____________ 112

2.4. Diagrama fasorial de la máquina síncrona __________________________ 113

3. Ensayos ________________________________________________________ 115

3.1. Acoplamiento del alternador síncrono a la red _______________________ 115

3.2. Obtención de la curva de vacío___________________________________ 118

3.3. Obtención de las curvas en V de una máquina síncrona________________ 119


4.1. Acoplamiento del alternador síncrono a la red _______________________ 119

4.2. Obtención de la curva de vacío___________________________________ 121

4.3. Obtención de las curvas en V de una máquina síncrona________________ 122

Índice

Capítulo 9

Práctica con el interruptor diferencial

1. Objetivos _______________________________________________________ 124

2. Protecciones eléctricas a personas___________________________________ 124

2.1. Introducción _________________________________________________ 124

2.2. Esquemas de conexión del neutro_________________________________ 125

2.3. Protección contra contactos directos e indirectos ____________________ 129

2.4. Protección contra contactos directos ______________________________ 131

2.5. Protección contra contactos indirectos _____________________________ 133

3. Ensayos ________________________________________________________ 137

3.1. Ensayo del interruptor diferencial_________________________________ 137


4.1. Ensayo del interruptor diferencial_________________________________ 140

Anexo A

Manual de usuario del programa de Medidas Eléctricas

1. Características generales __________________________________________ 144

2. Funcionamiento del programa______________________________________ 145

3. Almacenamiento y recuperación de datos _____________________________ 149

4. Exportar datos___________________________________________________ 149

5. Descripción del resto de opciones y controles __________________________ 151

Anexo B

Instalación y configuración

1. Instalación del programa de Medidas Eléctricas _______________________ 154

2. Configuración del programa de Medidas Eléctricas_____________________ 156

2.1. Configuración de las máquinas y los ensayos________________________ 157

2.2. Configuración de lecturas virtuales________________________________ 161

2.3. Parámetros generales de comunicación ____________________________ 163

2.4. Conexiones __________________________________________________ 164

3. Configuración de los aparatos de medida _____________________________ 166

3.1. Conexión de equipos de medida __________________________________ 166

3.2. Configuración de velocidad y periféricos ___________________________ 166

4. Protocolo de pruebas de funcionamiento______________________________ 167

4.1. Conexión de un solo aparato de medida ____________________________ 167

4.2. Conexión de varios aparatos de medida (exclusivamente RS485) ________ 168

Índice

Anexo C

Aparatos de medida ModBUS

1. Características de los aparatos de medida _____________________________ 172

2. Panel de medidas_________________________________________________ 173

2.1. Descripción general del panel de medidas __________________________ 173

2.2. Descripción de los aparatos de medida y accesorios___________________ 177

Bibliografía ______________________________________________ 181

Índice

1.-Práctica de medidas eléctricas en circuitos monofásicos

1 Prácticas de medidas eléctricas

en circuitos monofásicos

1. Objetivos

2. Magnitudes fundamentales en corriente alterna

3. Aparatos de medida y esquemas eléctricos

4. Ensayos

4.1. Obtener el diagrama fasorial de los distintos elementos electricos

4.1.1. Obtener el diagrama fasorial de una resistencia

4.1.2. Obtener el diagrama fasorial de un condensador

4.1.3. Obtener el diagrama fasorial de una autoinducción

4.1.4. Obtener el diagrama fasorial de un circuito cualquiera

4.2. Mejorar el factor de potencia de una carga monofásica

5. Reproducción de ensayos a partir de datos almacenados (Laboratorio virtual)







1

1.- Práctica de medidas eléctricas en circuitos monofásicos

1. Objetivos

Esta práctica pretende ser una introducción al laboratorio de máquinas eléctricas,

en la que se realizará una presentación de las instalaciones y de los equipos eléctricos

que conforman el laboratorio.

Otro objetivo es el conocimiento de los distintos aparatos de medida,

especialmente los de corriente alterna.

La práctica consistirá en la conexión de un circuito monofásico, midiéndose sus

magnitudes fundamentales: tensión, intensidad de corriente, potencias activa, reactiva y

aparente, energías, etc.

Se expondrán los conceptos básicos del factor de potencia y se realizará una

mejora del mismo.


2.1. Circuitos monofásicos

El análisis que realizaremos de los distintos circuitos en esta práctica será

siempre en régimen permanente, por lo que no consideraremos al régimen transitorio.

La siguiente figura representa una función alterna, en la que podemos ver su

carácter periódico.

Sabemos, por teoría de circuitos, que una tensión alterna puede ser expresada

por la fórmula siguiente:

( )θωtcosE(t) 0 +=ge

donde: E0 es la amplitud o valor máximo,

ω es la frecuencia angular (en rad/s) y

θ es el ángulo de fase.

2


En electrotecnia, es más frecuente el uso del valor eficaz “Eg” que el valor

máximo “E0”, por lo que si expresamos la fórmula anterior en función de este valor,

obtenemos

( )θωtcosE2(t) g +=ge

dado que la relación entre el valor máximo y el valor eficaz es g0 E2E = .

Analizemos ahora un circuito eléctrico alimentado por una tensión alterna, lo

que se conoce por circuito monofásico. Para el estudio de dicho circuito, por tratarse de

un circuito de corriente alterna en régimen permanente, se usa habitualmente la

transformada fasorial o trasformada jω, en la que se asocian las funciones sinusoidales a

vectores giratorios o fasores.

Véase el circuito representado

en la figura lateral, donde tenemos un

generador conectado a una carga

eléctrica. La tensión del generador en

vacío viene dada por la siguiente

fórmula de tensión alterna:

()θ+ω= tcosE2(t)e g1gL

siendo “Eg” el valor eficaz de la fuerza electromotriz y “θ” el ángulo de desfase

respecto al origen de fases. Se ha representado la linea L1 correspondiente a una fase y

N al neutro, para indicar la existencia de un sistema monofásico.

Tomaremos la tensión en bornes de la carga (diferencia de potencia entre L1 y

N) como origen de fases, es decir, su ángulo de fase inicial es cero (obsérvese que con

esta asignación no se pierde generalidad). Este tensión puede venir expresada como:

tcosVb2(t)vbL1 ω=

Una vez conectada la carga, se establecerá una corriente eléctrica caracterizada

por su intensidad, y que podemos expresar como:

( )ϕω= -tcosI2(t)i1L

siendo “I” el valor eficaz y “ϕ” el ángulo de desfase entre la tensión de la carga y su

intensidad de corriente, y “Vb” el valor eficaz de la tensión en bornes de la carga.

En el dominio del tiempo, estas dos funciones (tensión e intensidad) tienen la

representación de la siguiente figura (obsérvese que la intensidad está retrasada

respecto a la tensión).

3


Las potencias activa y reactiva consumidas por la carga vienen dadas,

respectivamente, por las siguientes fórmulas:

P = Vb I cos ϕ

Q = Vb I sen ϕ

donde vemos que la potencia activa “P” depende del ángulo de desfase entre la tensión

y la intensidad, concretamente del coseno de ese ángulo, lo que se conoce como factor

de potencia.

2.2. Diagrama fasorial

Las magnitudes de la tensión e intensidad son representadas mediante fasores

utilizando la siguiente formulación matemática:

º0j

bL1 eVbVbV==

º-j

L1

eIII ϕ==

Además, estos fasores pueden ser representados en un diagrama conocido con el

nombre de diagrama fasorial (véase la siguiente figura).

Se recuerda aquí que este diagrama fasorial representa a las funciones

sinusoidales tensión e intensidad que en el dominio del tiempo adoptan la forma de la

siguiente figura:

4


2.3. Mejora del factor de potencia

Para mejorar el factor de potencia, es decir, acercar su valor a la unidad,

deberemos conectar cargas que contrarresten el efecto de las bobinas en los circuitos

eléctricos.

Las autoinducciónes y bobinas (devanados) retrasan la intensidad respecto a la

tensión. Los condensadores adelantan la intensidad respecto a la tensión. Para corregir

el factor de potencia colocaremos condensadores (en paralelo) con el fin de conseguir

que el desfase entre la tensión y la intensidad sea más bien pequeño.

Para un circuito monofásico, si deseamos mejorar el factor de potencia de cos ϕ

a cos ϕ’ deberemos poner una carga en paralelo que aporte la siguiente potencia reactiva

Qc:

Qc = P.(tg ϕ’ – tg ϕ)

Si su valor es negativo (lo más habitual), deberemos colocar condensadores cuyo

valor obtenemos de las siguiente fórmulas:

2

CQ

C2CC

XIX×=×=

Vb

⎟⎟

⎞

⎜⎜

⎛

CX

⎠⎝

Vb

CX

22

VbC×ω==

Por lo que la capacidad necesaria viene determinada por:

CVb

2

QC

⋅

=

ω

5


3. Aparatos de medida y esquemas eléctricos

3.1. Esquemas eléctricos

En las diversas prácticas que se van a realizar, las magnitudes las tomaremos de

diversos aparatos de medida estratégicamente colocados para comprobar el

funcionamiento de equipos y máquinas eléctricas. Los aparatos de medida que

deberemos colocar serán tanto los de panel de laboratorio, como otros de precisión para

tomar lecturas más exactas. No nos debe importar el duplicar los aparatos de medida,

con el fin de facilitar el montaje y la lectura de magnitudes.

Los aparatos de medida más frecuentemente utilizados en máquinas eléctricas

serán voltímetros, amperímetros, vatímetros y contadores de energía.

Para la representación de los distintos montajes será preciso realizar los

esquemas normalizados correspondientes. Estos esquemas de montaje difieren

sensiblemente de los usados en otras materias tales como teoría de circuitos, electrónica,

etc.

Antes de hacer cualquier montaje en el laboratorio es obligatorio realizar en

papel el correspondiente esquema eléctrico normalizado que represente el montaje a

realizar con todos sus elementos.

Veamos como ejemplo, el esquema

trifásico de la figura lateral.

La alimentación de energía

eléctrica se representa mediante líneas

horizontales, en la parte superior. Observe

en el ejemplo las tres fases (L1, L2 y L3) y

el neutro. La leyenda de la parte superior

también nos indica que las cuatro líneas

representan un sistema trifásico de 4 hilos

(3 fases y neutro) de 380 voltios entre fases

y una frecuencia de 50 Hz.

En el esquema tenemos dibujadas

línea horizontales y verticales, que se

corresponden a los conductores que

conectan los distintos equipos eléctricos.

En los esquemas de montaje deberemos colocar los distintos aparatos que

realizarán las mediciones. Obsérvese en el ejemplo que tenemos un amperímetro

intercalado en la primera fase, un voltímetro conectado entre la primera fase y el neutro,

y un vatímetro o contador de energía trifásico.

6


Después de los distintos aparatos de medida, tenemos un interruptor (o un

contactor) que nos permitirá conectar o desconectar la carga eléctrica.

IMPORTANTE: Todos los esquemas eléctricos deben realizarse antes de hacer el

montaje de los elementos del laboratorio. Además, todos los esquemas deberán estar

normalizados.

Para la realización de los distintos montajes, deberemos colocar los aparatos de

medida del laboratorio y, además, los aparatos de medida con protocolo modbus.

4. Ensayos



El procedimiento para realizar el ensayo será el siguiente:

A.- Realización del montaje eléctrico.

Para la ejecución de este ensayo utilizaremos como base los esquemas de las

siguientes figuras. Para la lectura de datos con el panel de medidas (no es

imprescindible), se utilizará el esquema de la figura de la parte derecha donde tenemos

el analizador de redes monofásico CVM-SP con el número de periférico 31.

7


Las magnitudes que deberemos medir serán la tensión, la intensidad y las

potencias activa y reactiva.

Una vez medidas estas magnitudes, se calculará el factor de potencia y el ángulo

de desfase entre la tensión y la intensidad a partir de las potencias activa y reactiva. Con

los valores eficaces de la tensión y la intensidad, y con el ángulo calculado se obtendrá

el diagrama fasorial.

Las tres cargas que conectaremos serán resistencia (lámpara), autoinducción

(bobina) y condensador.

B.- Conexión del panel de medidas con el ordenador y ejecución del programa de Medidas

Eléctricas.

Para la toma de datos del panel digital de medidas y el almacenamiento de los

datos (no es imprescindible si no se va a trabajar con los datos), conectar el programa de

Medidas Eléctricas y seleccionar el esquema Carga monofásica (I), con lo que

aparecerá la siguiente figura:

C.- Utilizar como carga eléctrica una lámpara.

D.- Proceder a realizar las lecturas (de manera manual o automática).

Tomar las lecturas de tensión, intensidad de corriente y potencias activa y

reactiva.

E.- Calcular el desfase entre la tensión y la intensidad a partir de la potencias activa y reactiva.

F.- Dibujar el diagrama fasorial de la resistencia.

8


Se deberá obtener un diagrama fasorial como

el de la figura adjunta.





Eléctricas.

C.- Utilizar como carga eléctrica una autoinducción.



F.- Dibujar el diagrama fasorial del condensador.

Se deberá obtener un diagrama fasorial como el

de la figura adjunta.





Eléctricas.

C.- Utilizar como carga eléctrica una autoinducción.



F.- Dibujar el diagrama fasorial de la autoinducción.

Se deberá obtener un diagrama fasorial como el

de la figura adjunta. Por tratarse de una autoinducción

real, el ángulo de desfase no es 90º sino menor, es

decir, en la bobina real hay componente inductiva y

resistiva.


9


Proceder a conectar varios elementos (en serie o en paralelo), y determinar el

diagrama fasorial correspondiente.




Para la ejecución de este ensayo utilizaremos como base el esquema de la

siguiente figura. Para la lectura de datos con el panel de medidas ahora se utilizará el

esquema de la figura lateral donde tenemos el analizador de redes trifásico CVM

(número de periférico 35) usado como monofásico para poder trabajar con tensiones de

400 voltios.


Eléctricas.



Medidas Eléctricas y seleccionar el esquema Carga monofásica (II), con lo que


10


Observe que ahora es el CVM-35 el aparato encargado de realizar las lecturas.

C.- Conectar el motor eléctrico mediante el esquema correspondiente.



reactiva.

E.- Determinar la capacidad de los condensadores necesarios para mejorar el factor de

potencia.

F.- Conectar los condensadores y observar la mejora del factor de potencia, mediante nueva

lectura.

G.- Calcular la impedancia del motor monofásico.

11


5. Reproducción de ensayos a partir de datos almacenados

(Laboratorio virtual)

Con los datos almacenados, es posible reproducir los ensayos realizados y

volver a obtener los resultados del laboratorio. En el ensayo ejemplo (Carga

monofásica (I) Ejemplo.mso) se han tomado lectura a una lámpara de 60 vatios;

después a un condensador de 10μF y al final a una bobina de 143 mH y 14.33 Ω.




A.- Ejecución del programa Medidas Eléctricas vía ModBUS.

En primer lugar ejecutaremos el programa de Medidas Eléctricas vía ModBUS

y seleccionar el esquema Carga monofásica (I), con lo que aparecerá la siguiente

figura:

B.- Seleccionaremos del menú desplegable superior la opción Datos almacenados ->

Ficheros, con lo que aparecerá los archivos correspondientes a las distintas lecturas.

Aquí tendremos tantos ficheros como ensayos realizados a lo largo del tiempo,

además del fichero de ejemplo. Si deseamos seleccionar un fichero correspondiente a

una práctica determinada, lo haremos a partir de la fecha, que por defecto la pone en el

nombre del fichero.

12


C.- Buscaremos mediante la barra deslizante de la parte superior derecha, las lecturas con un

factor de potencia unidad.

Se deberá buscar una lectura cuyo diagrama

fasorial sea como el de la figura adjunta. En el

ejemplo colocarse al principio (parte izquierda) de la

barra deslizante.

D.- Calcular el valor de la resistencia.

E.- Comprobar analíticamente la fórmula de las potencias.

P = 3 Vb I cos ϕ

Q = 3 Vb I sen ϕ

13





B.- Avanzar la barra deslizante hacia la derecha hasta encontrar una lectura que adelante

intensidad a la tensión un ángulo próximo a 90º .


fasorial sea como el de la figura adjunta.

Observe que hay lecturas en el que el diagrama fasorial sale en la parte inferior,

a pesar de tomar una lectura negativa de la potencia reactiva. Esto es debido a que el

medidor toma también lectura negativa de la potencia activa.

C.- Calcular el valor del condensador.




B.- Seguir moviendo la barra deslizante hacia la derecha hasta que las lecturas sean de tal

manera que la intensidad venga retrasada respecto a la tensión un ángulo próximo a 90º .

14



fasorial sea como el de la figura adjunta.

C.- Calcular el valor de la bobina (autoinducción y resistencia).

D.- Comprobar las fórmulas de la potencia.

Observe que el factor de potencia no es el coseno del ángulo de desfase entre la

tensión y la intensidad, debido a la presencia de armónicos en el ensayo de la bobina.




B.- Seleccionaremos una lectura cualquiera moviendo a la derecha la barra deslizante.

El diagrama fasorial podrá ser como el de la

figura adjunta.

15


C.- Calcular el valor de la impedancia, indicando si es inductiva o capacitiva.


En el ejemplo se ha ensayado un motor monofásico de 600 vatios, 380 voltios

conectado a una red de 380 voltios y 50 Hz.




y seleccionar el esquema Carga monofásica (II), con lo que aparecerá la siguiente

figura:

16


B.- Seleccionar el fichero de datos correspondiente.

C.- Colocar la barra deslizante al principio (parte izquierda) y buscar el dato del consumo de la

carga trifásica.

17


D.- Calcular los condensadores necesarios para mejorar el factor de potencia.

E.- Buscar las lecturas con los condensadores conectados.

F.- Calcular la impedancia del motor monofásico.

18

2.-Práctica de medidas eléctricas en circuitos trifásicos

2 Prácticas de medidas eléctricas

en circuitos trifásicos

1. Objetivos


2.1. Circuitos trifásicos



3. Ensayos

3.1. Mejora del factor de potencia de un motor trifásico



4.2. Determinar la variación del factor de potencia con la carga de un motor

19

2.- Práctica de medidas eléctricas en circuitos trifásicos

1. Objetivos

Esta práctica pretende ser una introducción al laboratorio de máquinas eléctricas,

en la que se realizará una presentación de las instalaciones y de los equipos eléctricos

que conforman el laboratorio.

Otro objetivo es el conocimiento de los distintos aparatos de medida,

especialmente los de corriente alterna.

La práctica consistirá en la conexión de un circuito trifásico, midiéndose sus

magnitudes fundamentales: tensión, intensidad de corriente, potencias activa, reactiva y

aparente, energías, etc.

Se expondrán los conceptos básicos del factor de potencia y se realizará una

mejora del mismo.


2.1. Circuitos trifásicos

Las tensiones industriales de distribución de energía eléctricas son trifásicas.

Observe, en la siguiente figura, una tensión trifásica de valor máximo 10 voltios.

Los valores máximos de las tres funciones (por tanto también los valores

eficaces) son iguales, y el desfase entre ellas es de 120 grados, lo que representa un

sistema de generación trifásico equilibrado.

Estas funciones pueden ser expresadas, en forma matemática, por las siguientes

ecuaciones:

( )θ+ω= tcosE2(t)e g1gL ( )θ

+ω= 120-tcosE2(t)eg2gL

o( )θ

+ω= 240-tcosE2(t)e g3gL o

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siendo: Eg el valor eficaz,

ω es la frecuencia angular (en rad/s) y

θ es el ángulo de fase.

Analizemos ahora un circuito eléctrico alimentado por una tensión alterna

trifásica, y lo haremos a partir de los conocimientos adquiridos en teoría de circuitos, es

decir usando la transformada fasorial o trasformada jω.

Véase el circuito representado en la siguiente figura, donde tenemos un

generador trifásico conectado a una carga eléctrica también trifásica.

Las tensiones del generador en vacío viene dada por las siguientes ecuaciones:

( )θ+ω= tcosE2(t)e g1gL ( )θ

+ω= 120-tcosE2(t)eg2gL

o( )θ

+ω= 240-tcosE2(t)e g3gL o

siendo “Eg” el valor eficaz de la fuerza electromotriz y “θ” el ángulo de desfase

respecto al origen de fases. Se ha representado la lineas L1, L2 y L3 correspondientes a

las tres fases y N al se corresponde con el neutro, para indicar la existencia de un

sistema trifásico.

Tomaremos la tensión en bornes de la carga (diferencia de potencia entre L1 y

N) como origen de fases, es decir, su ángulo de fase inicial es cero (obsérvese que con

esta asignación no se pierde generalidad). Este tensión (y la de las otras fases) puede

venir expresada como:

tcosVb2(t)vbL1 ω=

()o120-tcosVb2(t)vbL2 ω=

( )o240-tcosVb2(t)vbL3 ω=

IMPORTANTE: Las diferencias de potencial son tensiones entre fase y neutro.

21


Una vez conectada la carga, si esta es equilibrada, se establecerán tres corrientes

eléctricas caracterizadas por su intensidad, y que podemos expresar como:

( )ϕω= -tcosI2(t)i1L ( )ϕ

ω= -120

-tcosI2(t)i2L o( )ϕ

ω= -240-tcosI2(t)i3L o


intensidad de corriente, y “Vb” el valor eficaz de la tensión (entre fase y neutro) en

bornes de la carga.

Las potencias activa y reactiva consumidas por la carga vienen dadas,

respectivamente, por las siguientes fórmulas (recuérdese que las tensiones son entre fase

y neutro):

P = 3 Vb I cos ϕ

Q = 3 Vb I sen ϕ

donde vemos que la potencia activa “P” depende del ángulo de desfase entre la tensión

y la intensidad, concretamente del coseno de ese ángulo, lo que se conoce como factor

de potencia.


Las magnitudes de la tensión e intensidad son representadas mediante fasores

utilizando la siguiente formulación matemática:

bL1 eVbVbV== º-j

L1 eI

IIϕ

==

º0j

Además, estos fasores pueden ser representados en un diagrama conocido con el

nombre de diagrama fasorial (véase la siguiente figura).

Se recuerda aquí que este diagrama fasorial representa a las funciones

sinusoidales tensión e intensidad que en el dominio del tiempo adoptan la forma de la

siguiente figura:

22



Para mejorar el factor de potencia, es decir, acercar su valor a la unidad,

deberemos conectar cargas que contrarresten el efecto de las bobinas en los circuitos

eléctricos.

Las autoinducciónes y bobinas (devanados) retrasan la intensidad respecto a la

tensión. Los condensadores adelantan la intensidad respecto a la tensión. Para corregir

el factor de potencia colocaremos condensadores (en paralelo) con el fin de conseguir

que el desfase entre la tensión y la intensidad sea más bien pequeño.

Para un circuito trifásico, si deseamos mejorar el factor de potencia de cos ϕ a

cos ϕ’ deberemos poner una carga en paralelo que aporte la siguiente potencia reactiva

Qc:

Qc = P.(tg ϕ’ – tg ϕ)

Si su valor es negativo (lo más habitual), deberemos colocar condensadores cuyo

valor obtenemos de las siguiente fórmulas:

2

CQ

2CC IX3 CX3 ××=××=

Vc

CX

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

3×=

Vc

CX

22

VcC3××ω×=

siendo Vc la tensión entre extremos del condensador.

Por lo que la capacidad necesaria viene determinada por:

C2

QC

Vc3⋅ω⋅

=

Si los condensadores están conectados en estrella, la tensión a poner será la

tensión fase a neutro. Si están conectados en triángulo, la tensión a poner será la de

línea. Por tanto la capacidad necesaria será tres veces menor en triángulo que en estrella.

23


3. Ensayos


El procedimiento para realizar el

ensayo será el siguiente:


Realizar el montaje de un circuito

trifásico con ayuda del esquema de la

figura lateral, en el que midamos las

magnitudes fundamentales.

Para la lectura mediante el panel,

usaremos el analizador de redes trifásico

CVM, como indica la figura inferior.

24



Eléctricas.

Para la toma de datos del panel digital de medidas, conectar el programa de

Medidas Eléctricas y seleccionar el esquema Carga trifásica, con lo que aparecerá la

siguiente figura:

C.- Conectar el motor trifásico mediante el esquema correspondiente.


E.- Determinar los condensadores necesarios para mejorar el factor de potencia.

F.- Conectar los condensadores y observar la mejora del factor de potencia, mediante nueva

lectura. Conectar los condensadores en estrella y en triángulo, y observar las lecturas.

G.- Calcular la impedancia del motor trifásico.

25





volver a obtener los resultados del laboratorio. En el ensayo ejemplo (Carga trifásica

(I) Ejemplo.mso) se ha ensayado un motor trifásico de 1CV, 220/380 voltios conectado

a una red de 380 voltios y 50 Hercios.





y seleccionar el esquema Carga trifásica, con lo que aparecerá la siguiente figura:

B.- Seleccionar el fichero de datos correspondiente.

26


C.- Colocar la barra deslizante al principio (parte izquierda) y buscar el dato del consumo de la

carga trifásica.

D.- Calcular los condensadores necesarios para mejorar el factor de potencia.

E.- Buscar las lecturas con los condensadores conectados.

Como no se ha podido ajustar el valor de los condensadores con los que hay en el laboratorio,

determinar los condensadores que se han colocado.

F.- Calcular la impedancia del motor trifásico.

27


4.2. Determinar la variación del factor de potencia con la carga de un motor




y seleccionar el esquema Carga trifásica.

B.- Seleccionar el fichero de datos Curva de carga de un motor.mso: .

C.- Colocar la barra deslizante al principio (parte izquierda) y pasar todos los datos hasta

terminar el cursor en la parte derecha. Representar en el gráfico el factor de potencia frente a la

potencia, con lo que veremos la curva representada en la siguiente figura.

28

3.-Práctica con transformador monofásico

3 Práctica con transformador

monofásico

1. Objetivos

2. Introducción teórica a los transformadores eléctricos

2.1. Transformador monofásico

3. Ensayos

3.1. Ensayo del transformador monofásico en vacío

3.2. Ensayo del transformador monofásico en cortocircuito

3.3. Ensayo del transformador monofásico en carga


4.1. Ensayo del transformador monofásico en vacío

4.2. Ensayo del transformador monofásico en cortocircuito

4.3. Ensayo del transformador monofásico en carga

29

3.- Práctica con transformador monofásico

1. Objetivos

El objetivo de esta práctica es conocer el funcionamiento del transformador

eléctrico monofásico.

Se comenzará con una introducción teórica donde se detallarán los parámetros

más importantes de los transformadores, así como su principio de funcionamiento.

Para el análisis del transformador se recurrirá a su modelización mediante un

circuito equivalente, obtenido éste mediante ensayos experimentales.


2.1.Transformador monofásico

En este apartado describiremos la constitución y el principio de funcionamiento

de un transformador eléctrico monofásico. La siguiente figura representa un

transformador monofásico compuesto por dos devanados sobre un núcleo compuesto

por chapas magnéticas.

Vemos en primer lugar que el transformador es una máquina estática, dado que

no lleva partes móviles, por lo que no va a tener pérdidas mecánicas debidas a

rozamientos, etc., lo que va a permitir disponer de transformadores con rendimientos

superiores al 90%.

A uno de los dos bobinados se le denomina devanado primario y al otro

devanado secundario (análogo al devanado inductor e inducido respectivamente del

resto de las máquinas eléctricas). El núcleo magnético está formado por chapas aisladas

unas de otras con el fin de reducir las pérdidas por corrientes de Foucault.

30


El transformador eléctrico se basa en las leyes de Ampere y Faraday. La ley de

Ampere nos dice que toda corriente eléctrica va a producir un campo magnético. Al

aplicar una tensión al devanado primario, se va a establecer una corriente eléctrica, que

va ser el origen de un campo magnético (inductor). Ese flujo magnético estará

canalizado fundamentalmente por el núcleo magnético, con lo que será abarcado por el

otro devanado (devanado secundario). En el devanado secundario se inducirá una fuerza

electromotriz dada por la ley de Faraday:

.e.m.F

t∂

Φ∂

=

Dado que la tensión aplicada es alterna, también lo será el flujo producido y

abarcado por el devanado secundario, por lo que tendremos una variación temporal del

mismo, es decir una fuerza electromotriz. Las fuerzas electromotrices de cada uno de

los devanados serán proporcionales al número de espiras de los devanados, de tal

manera que se define la relación de transformación (rt) como la relación de fuerzas

electromotrices y se cumple que:

tr

2

121

N

NEE

==

Recapitulando, vemos que si se aplica una tensión al devanado primario se

inducirá una fuerza electromotriz en el devanado secundario con lo que dispondremos

de una tensión distinta en dicho devanado. Dado que la relación entre tensiones es la

relación de transformación, se puede construir transformadores con cualquier relación

de transformación, sin mas que asignar un número adecuado de espiras en cada

devanado.

La relación de transformación (rt)

es el parámetro fundamental de los

transformadores.

Para el transformador ideal (sin

pérdidas), se cumple que:

t

2V

V

=1

r

Para el estudio y análisis del transformador eléctrico se recurre a modelos. Un

modelo es una simplificación del componente eléctrico. Por ejemplo, el transformador

ideal es un modelo simplificado del transformador real en el que no se han considerado

ni las pérdidas de potencia, ni las pérdidas de flujo.

31


Otro modelo que conocemos del

transformador visto en otras asignaturas, es

el modelo mediante dos bobinas acopladas.

En este modelo tampoco se consideran las

pérdidas de potencia, pero si se tiene en

cuenta las pérdidas de flujo magnético. Los

parámetros del modelo son las dos

autoinducciones L y el coeficiente de

inductancia mutua M.

En este modelo, las ecuaciones

para las tensiones e intensidades (según las

referencias de la figura) que definen el

comportamiento del transformador son las siguientes:

dIdI2

dt

MdtLV 111 +=

dIdI2

dt

MdtLV 122 +=y

El modelo usado habitualmente en corriente alterna tiene en cuenta las pérdidas

de potencia en los devanados y en el núcleo magnético (hierro), y las pérdidas de

dispersión de flujo.

En este modelo, los parámetros del secundario son traspasados al primario

(reducción al primario). Esto consiste en poner otros elementos en el primario que

producen el mismo efectos que los elementos originales conectados en el secundario.

Se debe tener presente en todo momento que este modelo es válido únicamente

en corriente alterna.

Esta figura representa el esquema del circuito equivalente donde tenemos

desglosado las pérdidas de potencia (en forma de resistencia) en los devanados y en el

hierro, y la dispersión de flujo (en forma de reactancia).

32


Con el fin de simplificar los cálculos, se acostumbra a trasladar la resistencia

del hierro RFE (que representa las pérdidas del hierro) y la reactancia magnetizante Xµ

(que caracteriza al flujo útil) al principio del circuito, como se puede ver en la siguiente

figura.

IMPORTANTE: Este modelo de transformador solamente es válido cuando se

le aplica una tensión alterna.

3. Ensayos

3.1.Ensayo del transformador monofásico en vacío



Se trata de dejar abierto el secundario del transformador sin conectar nada, y

determinar la relación de transformación a partir de las dos lecturas de los voltímetros

(dado que en vacío, la tensión en bornes es igual a la fuerza electromotriz).

33


La lectura de todas las magnitudes del primario la haremos con el analizador de

redes trifásico CVM con el número de periférico 35 (usando sólo la primera fase), dado

que permite leer la tensión, intensidad, potencias y factor de potencia. Las medidas del

secundario las haremos con los medidores de corriente alterna DH96AC con los

números de periférico 21 (tensión) y 22 (intensidad).

IMPORTANTE: No conectar directamente los terminales de intensidad del analizador

de red CVM, haciéndolo siempre a través de transformador de intensidad aunque la

intensidad a medir sea muy pequeña.


Eléctricas.


Medidas Eléctricas y seleccionar el esquema Transformador monofásico, con lo que


C.- Proceder a realizarlas lecturas (de manera manual o automática).


reactiva.

El vatímetro nos dará la potencia perdida en el transformador, que

prácticamente son las pérdidas en el hierro (las pérdidas en el devanado primario en

vacío son despreciables).

34


Es conveniente obtener el factor de potencia de vacío y la corriente de vacío,

con el fin de construir el circuito equivalente (Resistencia de pérdidas en el hierro RFE y

reactancia magnetizante Xµ).

D.- Calcular los valores de Resistencia de pérdidas en el hierro RFE y reactancia magnetizante

Xµ.

3.2.Ensayo del transformador monofásico en cortocircuito



El ensayo consiste en cortocircuitar el secundario aplicando una tensión

inferior al primario.


Eléctricas.


Con ello determinaremos la tensión de cortocircuito, que es la tensión que

hay que aplicar al primario, estando el secundario cortocircuitado, para que circule por

los devanados la intensidad nominal.

D.- Calcularla impedancia de cortocircuito.

35


De este ensayo obtenemos las pérdidas de potencia en los conductores R1 y

R’2, e incluso podemos obtener las reactancias de dispersión Xd.

3.3.Ensayo del transformador monofásico en carga



Para el ensayo del transformador monofásico en carga, se tomará como modelo

el siguiente esquema:


Eléctricas.


Se trata de conectar al secundario de transformador una serie de cargas

eléctricas, tomando las lecturas de los aparatos de medida.

D.- Contrastar los resultados experimentales con los resultados analíticos.

Ahora se realizarán los cálculos analíticos tomando como modelo el circuito

equivalente y se trata de comprobar que los resultados son iguales que las medidas de

los ensayos.

36





volver a obtener los resultados del laboratorio. En el ensayo ejemplo (Transformador

monofásico Ejemplo.mso) se han ensayado un trasformador de 1500 VA.

4.1.Ensayo del transformador monofásico en vacío




y seleccionar el esquema Transformador monofásico, con lo que aparecerá la

siguiente figura:






nombre del fichero.

37


C.- Buscaremos mediante la barra deslizante de la parte superior derecha, las lecturas del

ensayo en vacío.

Iremos al principio de los datos y buscaremos la aquellos datos en el que la

intensidad del secundario sea cero, y las tensiones del primario y secundario sean las

nominales.

El vatímetro nos dará la potencia perdida en el transformador, que

prácticamente son las pérdidas en el hierro (las pérdidas en el devanado primario en

vacío son despreciables).

Es conveniente obtener el factor de potencia de vacío y la corriente de vacío,

con el fin de construir el circuito equivalente (Resistencia de pérdidas en el hierro RFE y


38



Xµ.

4.2.Ensayo del transformador monofásico en cortocircuito

A partir de los datos almacenados seleccionados en el ensayo anterior,

procederemos como se indica a continuación:

A.- Buscaremos mediante la barra deslizante de la parte superior derecha, las lecturas del

ensayo en cortocircuito.

En este caso buscaremos la aquellos datos en el que la tensión del secundario

sea cero, y las intensidades del primario y del secundario sean las nominales.

B.- Proceder a anotarlas lecturas.

C.- Calcularla impedancia de cortocircuito.

De este ensayo obtenemos las pérdidas de potencia en los conductores R1 y

R’2, e incluso podemos obtener las reactancias de dispersión Xd.

39


4.3.Ensayo del transformador monofásico en carga

Continuando con el fichero seleccionado en el ensayo procedemos de la

siguiente manera:


ensayo en carga.

C.- Procedera anotarlas lecturas.




los ensayos.

E.- Realizarlos apartados anteriores para varias lecturas de otras cargas eléctricas.

40

4.-Práctica con transformador trifásico

4 Práctica con transformador

trifásico

1. Objetivos


2.1. Sistemas eléctricos de potencia

2.2. Transformador trifásico

3. Ensayos

3.1. Ensayo del transformador trifásico en vacío

3.2. Ensayo del transformador trifásico en cortocircuito

3.3. Ensayo del transformador trifásico en carga

3.4. Obtención experimental de los índices horarios


4.1. Ensayo del transformador trifásico en vacío

4.2. Ensayo del transformador trifásico en cortocircuito

4.3. Ensayo del transformador trifásico en carga

41

4.- Práctica con transformador trifásico

1. Objetivos

El objetivo de esta práctica es conocer el funcionamiento del transformador

eléctrico trifásico en los sistemas eléctricos de potencia.

Para el análisis del transformador se recurrirá a su modelización mediante un

circuito equivalente, obtenido éste mediante ensayos experimentales.


2.1.Sistemas eléctricos de potencia

Al conjunto de elementos eléctricos que componen la red eléctrica se le

denomina Sistema eléctrico de potencia. Estos sistemas tienen tres funciones distintas:

a) Generación o producción de energía eléctrica en las centrales eléctricas.

b) Transporte de energía eléctrica.

c) Distribución y consumo de energía eléctrica.

A continuación se representa un esquema unifilar de un sistema eléctrico de

potencia elemental donde podemos encontrar los elementos fundamentales del mismo:

un generador, transformador elevador, línea de transporte, transformador reductor y

línea de distribución.

42


La siguiente figura representa el mismo esquema multifilar del dibujo anterior,

donde podemos ver el número de hilos del sistema eléctrico, en cada una de las partes

del sistema eléctrico. En los puntos de consumo llegan cinco hilos (tres fases, neutro y

conductor de protección) en el caso de sistemas trifásicos y tres hilos (fase, neutro y

conductor de protección) en el caso de sistemas monofásicos.

Se ha representado un esquema TT de conexión del neutro (lo más habitual en

España), donde se conecta el neutro del secundario del transformador de distribución a

tierra (1ª T) y las masas de los receptores a tierra (2ª T). Con esto se persigue buscar un

camino (por la tierra) por donde se establezca una corriente eléctrica en caso de una

derivación en un aparato eléctrico.

La red europea de electricidad está totalmente interconectada, lo que quiere decir

que todas las centrales de producción están unidas simultáneamente con los centros de

consumo (urbano y rural). Los puntos de unión de los distintos circuitos es lo que se

conoce como subestaciones transformadoras, donde se realiza la adaptación de tensión

de los distintos circuitos.

La función de los transformadores eléctricos no es otra que el conseguir elevar

la tensión en el transporte de energía eléctrica. Con esto conseguimos tanto disminuir la

sección de los conductores como las pérdidas de potencia en los mismos. La potencia

eléctrica transportada en un sistema eléctrico viene dada por la siguiente fórmula:

ϕ⋅⋅⋅= cosIVb3P

siendo P: Potencia eléctrica transportada (W),

Vb: Tensión entre fases (V),

I: Intensidad de corriente eléctrica (A),

cos ϕ: Factor de potencia.

Para la misma potencia transportada, en la misma medida que aumenta la tensión

disminuye la intensidad de corriente, por lo que los conductores podrán ser de menor

sección, y las pérdidas por efecto Joule también serán menores ( PP = 3 . RC . I2 ). Por el

43


contrario, la distancia de separación entre conductores deberá ser mayor a medida que

aumenta la tensión.

2.2.Transformador trifásico

El transformador trifásico (más habitual en la industria que el monofásico)

dispone de los mismos elementos que el transformador monofásico. En la siguiente

figura representamos un transformador trifásico elemental.

Los transformadores trifásicos

disponen de tres devanados primarios y

tres devanados secundarios, que pueden

ser conectados en estrella, triángulo,

zigzag, etc. y como en todo sistema

trifásico deberemos tener en cuenta que

tenemos dos tensiones distintas (de línea y

de fase).

El principio de funcionamiento del transformador trifásico es el mismo que el

del transformador monofásico: Ley de Ampere y Ley de Faraday.

Si trabajamos con tensiones e intensidades equilibradas, a efectos de análisis,

podemos simplificar el circuito trifásico en un circuito monofásico, por lo que el

transformador quedará como uno monofásico. Es por esto que los circuitos equivalentes

también son similares.

44


3. Ensayos

3.1.Ensayo del transformador trifásico en vacío



Se trata de no conectar nada en el secundario del transformador, y determinar la

relación de transformación a partir de las dos lecturas de los voltímetros (dado que en

vacío, la tensión en bornes es igual a la fuerza electromotriz).


redes trifásico CVM con el número de periférico 35, dado que permite leer la tensión,

intensidad, potencias, factor de potencia y energías. Las medidas del secundario las

haremos con los medidores de corriente alterna DH96AC con los números de periférico

21 (tensión) y 22 (intensidad).


Eléctricas.


Medidas Eléctricas y seleccionar el esquema Transformador trifásico, con lo que

aparecerá la pantalla representada en la siguiente figura:

45



El vatímetro nos dará la potencia perdida en el transformador, que prácticamente

son las pérdidas en el hierro (las pérdidas en el devanado primario en vacío son

despreciables).

Es interesante obtener el factor de potencia de vacío y la corriente de vacío, con

el fin de construir el circuito equivalente (Resistencia de pérdidas en el hierro RFE y



Xµ.

3.2.Ensayo del transformador trifásico en cortocircuito



El ensayo consiste en cortocircuitar el secundario aplicando una tensión inferior

al primario.

Dado que el analizador de redes trifásico CVM no empieza a detectar tensiones

hasta los 20 voltios, es conveniente poner transformadores de medida de tensión que

aumenten la tensión de cortocircuito, únicamente en este ensayo.

46



Con ello determinaremos la tensión de cortocircuito, que es la tensión que hay

que aplicar al primario, estando el secundario cortocircuitado, para que circule por los

devanados la intensidad nominal.

D.- Calcularla impedancia de cortocircuito.

De este ensayo obtenemos las pérdidas de potencia en los conductores R1 y R’2,

e incluso podemos obtener las reactancias de dispersión Xd.

3.3.Ensayo del transformador trifásico en carga



Para los ensayos con transformador trifásico, se tomará como modelo el

siguiente esquema:

47



redes trifásico CVM con el número de periférico 35 y las medidas del secundario las

haremos con los medidores de corriente alterna DH96AC con los números de periférico

21 (tensión) y 22 (intensidad).


Eléctricas.


Se trata de conectar al secundario de transformador una serie de cargas

eléctricas, tomando las lecturas de los aparatos de medida.




los ensayos.

3.4.Obtención experimental de los índices horarios

En este apartado se realizarán distintas conexiones en los devanados (estrella,

triángulo o zigzag) y obtener experimentalmente (con el medidor adecuado) el índice

horario de los transformadores. Comprobar analíticamente los resultados

experimentales.

48





volver a obtener los resultados del laboratorio. En el ensayo ejemplo (Transformador

trifásico Ejemplo.mso) se ha ensayado un trasformador eléctrico trifásico de 3 KVA.

4.1.Ensayo del transformador trifásico en vacío




y seleccionar el esquema Transformador monofásico, con lo que aparecerá la

siguiente figura:






nombre del fichero.

49


C.- Buscaremos mediante la barra deslizante de la parte superior derecha, las lecturas del

ensayo en vacío.

Iremos al principio de los datos y buscaremos la aquellos datos en el que la

intensidad del secundario sea cero, y las tensiones del primario y secundario sean las

nominales.

El vatímetro nos dará la potencia perdida en el transformador, que prácticamente

son las pérdidas en el hierro (las pérdidas en el devanado primario en vacío son

despreciables).

Es conveniente obtener el factor de potencia de vacío y la corriente de vacío, con

el fin de construir el circuito equivalente (Resistencia de pérdidas en el hierro RFE y



Xµ.

50


4.2.Ensayo del transformador trifásico en cortocircuito

A partir de los datos almacenados seleccionados en el ensayo anterior,

procederemos como se indica a continuación:


ensayo en cortocircuito.

En este caso buscaremos la aquellos datos en el que la tensión del secundario sea

cero, y las intensidades del primario y del secundario sean las nominales.

B.- Proceder a anotarlas lecturas.

C.- Calcularla impedancia de cortocircuito.

De este ensayo obtenemos las pérdidas de potencia en los conductores R1 y R’2,

e incluso podemos obtener las reactancias de dispersión Xd.

4.3.Ensayo del transformador trifásico en carga

Continuando con el fichero seleccionado en el ensayo procedemos de la

siguiente manera:


ensayo en carga.

51


C.- Procedera anotarlas lecturas.




los ensayos.

E.- Realizarlos apartados anteriores para varias lecturas de otras cargas eléctricas.

52

5.- Práctica de funcionamiento del motor de inducción

5 Práctica de funcionamiento del

motor de inducción

1. Objetivos

2. Máquina asíncrona o de inducción

2.1. Introducción teórica de la máquina asíncrona

2.2. Diagrama fasorial y diagrama del círculo de la máquina asíncrona

2.3. Utilización de la máquina asíncrona como alternador

3. Ensayos

3.1. Obtención de la variación de velocidad ante variaciones de tensión

3.2. Obtención de las curvas ante variaciones de potencia (Diagrama del círculo)

3.3. Acoplamiento de la máquina asíncrona a la red




4.3. Funcionamiento de la máquina como motor y acoplamiento a la red

53

5.-Práctica de funcionamiento del motor de inducción

1. Objetivos

En esta práctica vamos a analizar el funcionamiento de los motores asíncronos

trifásicos (motores de inducción) a partir de las curvas que obtendremos de los ensayos

pertinentes.

Entre otras, analizaremos:

- la variación de la velocidad cuando se modifica la tensión aplicada,

- la variación de velocidad ante variaciones de carga,

- la variación de la potencia reactiva ante variaciones de carga y

- la variación del factor de potencia ante variaciones de carga

Además, se hará trabajar al motor eléctrico como alternador para producir

energía eléctrica realizando un acoplamiento a la red eléctrica.

2. Máquina asíncrona o de inducción

2.1. Introducción teórica de la máquina asíncrona

El motor asíncrono trifásico se fundamenta en el teorema de Ferraris: Al

conectar un devanado trifásico a una red trifásica equilibrada de tensiones se establece

un campo magnético giratorio de amplitud constante y cuya variación es espacial. La

velocidad de variación del campo magnético es igual a la velocidad de sincronismo ns.

Esta velocidad de sincronismo se determina a partir de la frecuencia, que es el

número de ciclos por segundo. Por tanto, para una máquina de dos polos, un ciclo se

produce en cada vuelta por tanto la frecuencia es tambén el número de vueltas por

segundo. En el caso de que la máquina tenga 4 polos, un ciclo completo se repite cada

media vuelta, por lo que la velocidad será la mitad de la frecuencia. Generalizando esta

resultado llegamos a que la velocidad en revoluciones por segundo vale:

f

(r.p.s.)ns =

p

siendo ns(r.p.s): la velocidad síncrona en revoluciones por segundo,

f: la frecuencia de la tensión aplicada en Hz y

p: el número de pares de polos.

Si trabajamos con la unidad más habitual de velocidad, revoluciones por minuto

(r.p.m.), deberemos expresarlo como aparece en la siguiente ecuación:

60f ⋅

ns =p

siendo ns: la velocidad síncrona en revoluciones por minuto (r.p.m.),

54


El flujo producido por ese campo magnético llega al inducido y, por la variación

de flujo en el tiempo (ley de Faraday y de Lenz), se inducen fuerzas electromotrices en

el inducido (es por esto que también se la llama máquina de inducción), según la citada

ley:

Φ∂

=.e.m.F

t∂

Téngase en cuenta que sólamente se generan estas fuerzas electromotrices

cuando la velocidad del campo magnético giratorio (velocidad síncrona) es distinta de la

velocidad de giro del rotor, dado que el campo magnético que se produce es espacial. Si

el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético giratorio, no habrá variación

de flujo en el rotor. Es por ello que a esta máquina se la denomina máquina asíncrona,

es decir, máquina cuya velocidad de giro es siempre distinta de la de sincronismo.

Si el devanado del rotor está cerrado (mediante cortocircuito o resistencias), se

establecerán corrientes Ii por sus devanados. Estas corrientes, dentro del campo

magnético giratorio de inducción Bexc producen una fuerza magnética que viene dada

por la siguiente fórmula.

∫= dl.IiF

L

× Bexc

Estas fuerzas originan el par que hace que se mueva el rotor hasta alcanzar la

velocidad de equilibrio.

Una vez visto el fundamento de la máquina asíncrona, hacemos un análisis en

régimen permanente, que se realiza a partir de las curvas características. Estas curvas

características representan las magnitudes de par, potencia, intensidad, factor de

potencia, etc. en función de la velocidad.

Estas curvas se obtienen a partir del circuito equivalente del motor asíncrono (en

régimen permanente), con los mismos ensayos que en el transformador: vacío y

cortocircuito. Véase en la siguiente figura el circuito equivalente.

55


En la siguiente figura tenemos las curvas características de un motor asíncrono

trifásico de potencia 10 kW, tensiones 230/400 V, frecuencia 50 Hz y 2 polos

(velocidad de sincronismo = 3000 rpm).

2.2. Diagrama fasorial y diagrama del círculo de la máquina asíncrona

En este apartado se analizará la máquina a partir del diagrama fasorial de los dos

modos de funcionamiento: como motor y como generador.

IMPORTANTE: En el análisis de esta máquina se usará la notación de motor.


La siguiente figura representa el diagrama fasorial de la máquina funcionando

como motor, en el que se puede observar que la intensidad está en retraso respecto a la

tensión (absorbe energía reactiva inductiva, necesaria para la producción del flujo

magnético).

En el funcionamiento como generador, el ángulo de desfase entre tensión e

intensidad es mayor de 90º. En este caso, tambíen la máquina consume energía reactiva

inductiva, pues la necesita para la producción del flujo magnético. (La siguiente figura

representa el diagrama fasorial de la máquina funcionando como generador).

56


Recordemos ahora, que el lugar geométrico de la intensidad en una máquina

síncrona es un círculo, lo que se conoce como diagrama del círculo. Efectivamente, si

giramos 90º las figuras anteriores, tendremos dos puntos de funcionamiento de esta

máquina. El lugar geométrico completo corresponde al diagrama representado en la

siguiente figura.

En los ejes vertical y horizontal tenemos representada la componente activa de la

intensidad (I cos ϕ) y la componente reactiva (I sen ϕ).

Dado que las potencias activa y reactiva vienen dadas por las fórmulas

siguientes:

P = 3 Vb I cos ϕ

Q = 3 Vb I sen ϕ

y la tensión “Vb” (tensión de la red) es constante, los ejes vertical y horizontal

representan (a escala diferente) las potencias activa y reactiva, respectivamente.

El eje horizontal de potencia nula divide al círculo en dos mitades: en la parte

superior (0º < ϕ < 90º, cos ϕ > 0, potencia positiva) la máquina funciona como motor, y

en la parte inferior (ϕ > 90º, cos ϕ < 0, potencia negativa), la máquina trabaja como

generador.

Se ha marcado en el círculo con trazo más grueso los puntos de funcionamiento

en régimen permanente.

57


2.3. Utilización de la máquina asíncrona como alternador

Esta máquina es utilizada frecuentemente como motor, pero también se usa

(aunque en menor medida) en minicentrales hidroeléctricas, funcionando como

generador. En el análisis de la máquina utilizaremos la notación de motor, es decir,

potencias positivas serán potencias consumidas, y potencias negativas serán potencias

generadas.

El acoplamiento de la máquina a la red es tan sencillo como conectarlo mediante

un interruptor de acoplamiento. Una vez conectado, en el devanado trifásico se produce

el campo magnético giratorio (teorema de Ferraris) que realiza el intercambio entre

energías eléctrica y mecánica. Para aportar energía se deberá aumentar la velocidad con

el motor de arrastre (motor primario o de accionamiento).

Las curvas características completas, considerando también la parte de

generación, están representadas en la siguiente figura:

58


3. Ensayos





siguiente figura.

Para la lectura de datos con el panel de medidas, se utilizará el analizador de

redes trifásico CVM con el número de periférico 35 para medir las magnitudes

referentes al motor trifásico y el DH96A con el periférico 22 para medir la velocidad a

través del tacogenerador (No se debe olvidar configurar el medidor DH96A-22 para que

mida revoluciones por minuto, en vez de tensiones).


Eléctricas.



Medidas Eléctricas y seleccionar el esquema Motor Asíncrono, con lo que aparecerá la

pantalla de la siguiente figura:

59


C.- Conectar el motor a una tensión media (por ejemplo 110 voltios). Una vez alcanzada la

velocidad, elevar la tensión hasta su tensión nominal.

D.- Proceder a realizar las lecturas y poner como ejes del gráfico la tensión en bornes Vb frente

a la velocidad.

E.- Ir disminuyendo progresivamente la tensión aplicada con el autotransformador.

F.- Dejar de adquirir las lecturas de los aparatos de medida.

G.- En la gráfica tensión – velocidad obsérvese la pequeña variación de velocidad ante

variaciones de tensión.

60





Para la ejecución de este ensayo utilizaremos como base uno de los dos

esquemas especificados a continuación.

Si la carga mecánica aplicada al motor es un freno, utilizaremos el esquema

siguiente:

Para la lectura de datos con el panel de medidas, se utilizará el analizador de

redes trifásico CVM con el número de periférico 35 para medir las magnitudes

referentes al motor trifásico y el DH96A con el periférico 22 para medir la velocidad a

través del tacogenerador. Las variables de la carga mecánica, tensión e intensidad, las

medimos mediante los aparatos de corriente continua DH96C, de periféricos 25 y 26

respectivamente.

Si la carga mecánica utilizada es una máquina de corriente continua (Dinamo),

usaremos el siguiente esquema, donde la conexión es similar al caso anterior, pero ahora

utilizamos como aparato para medir la tensión, intensidad y potencia en corriente

continua el analizador de redes de corriente continua CVMDC-45 en vez de los dos

medidores de continua 25 y 26.

61



Eléctricas.


datos conectar el programa de Medidas Eléctricas y seleccionar el esquema Motor

Asíncrono – Freno o el esquema Motor Asíncrono - Dinamo, con lo que aparecerá

alguna de las dos pantallas mostradas a continuación.

62


El propio programa calcula la potencia de la carga mecánica, así como el par a

partir de la potencia y la velocidad del tacogenerador.

C.- Poner la carga mecánica en su valor mínimo y conectar el motor a su tensión nominal.

D.- Proceder a realizar las lecturas poniendo como ejes del gráfico la velocidad frente a la

potencia del freno Pf (o potencia consumida en continua Pcc).

E.- Ir aumentando progresivamente la carga hasta que el motor consuma su potencia nominal.


G.- Observar en la gráfica de velocidad ante variaciones de potencia que prácticamente es una

recta horizontal donde apenas se produce variación de velocidad cuando se modifica la carga

mecánica.

H.- Representar la el factor de potencia frente a la potencia del freno. Observe que el factor de

potencia es bajo en vacío y va mejorando a medida que aumenta la carga.

I.- Representar la potencia activa frente a la potencia reactiva. Observe que la forma de la

curva es un arco de una circunferencia. Este arco forma parte del diagrama del círculo de un

motor asíncrono.

63


3.3. Acoplamiento de la máquina asíncrona a la red

En este momento, con el mismo esquema anterior conectado, es posible realizar

el acoplamiento de la máquina asíncrona a la red. Si hacemos girar al motor por encima

de la velocidad de sincronismo, éste aportará energía a la red pasando, sin ninguna

discontinuidad, a funcionar como alternador.

A.- Realización del montaje eléctrico, que es como el anterior, donde la máquina asíncrona

trabajará como alternador y la dinamos como motor de arrastre o motor primario.

B.- Realizar el acoplamiento de la máquina de inducción a la red, cuyo procedimiento es el

siguiente:

1. Comprobar que el motor primario y la máquina de inducción giran

en el mismo sentido. Para ello se conecta el motor primario y se

observa el sentido de giro. A continuación se desconecta este motor

y se conecta la máquina asíncrona, comprobando que su sentido de

giro coincide con el del motor primario.

2. Mediante el motor de arrastre, hacer girar a la máquina de inducción

a una velocidad ligeramente superior a la velocidad síncrona.

(Observar que no se genera tensión).

3. Conectar el interruptor de acoplamiento (en este instante se establece

el campo magnético giratorio).

4. Aumentar la velocidad del motor primario (observar en los aparatos

de medida el aumento de la potencia activa producida).

C.- Proceder a realizar las lecturas mediante el control correspondiente.

64


D.- Ir aumentando progresivamente la velocidad del motor primario y observar que aumenta la

potencia generada.

E.- Ir disminuyendo progresivamente la velocidad del motor primario y observar que disminuye

la potencia generada.


G.- Representar la potencia activa frente a la potencia reactiva. Observe que la forma de la

curva es un arco de una circunferencia. Este arco también forma parte del diagrama del círculo

de un motor asíncrono.

H.- Representar la el factor de potencia frente a la potencia de la carga. Observe que el factor

de potencia es bajo en vacío y va mejorando a medida que aumenta la carga.

I.- Representar la potencia consumida por la máquina y el par frente a la velocidad. Estas

curvas forman parte de las curvas características, en los puntos normales de funcionamiento.

J.- Representar la intensidad consumida por la máquina frente a la velocidad.

65






volver a obtener los resultados del laboratorio. En el ensayo ejemplo (Motor Asíncrono

Ejemplo.mso) se han tomado lectura a un motor trifásico.




y seleccionar el esquema Motor Asíncrono, con lo que aparecerá la siguiente figura:






nombre del fichero.

66


C.- Fijar como ejes del gráfico la tensión en bornes Vb frente a la velocidad.

D.- Mover la barra deslizante a lo largo de toda su recorrido con el fin de presentar los datos en

el gráfico.

E.- En la gráfica tensión – velocidad obsérvese la pequeña variación de velocidad ante

variaciones de velocidad.



volver a obtener los resultados del laboratorio. En el ensayo ejemplo (Motor Asíncrono

– Freno Ejemplo.mso) se han tomado lectura a un motor trifásico con freno de

potencia nominal de 1 CV. El procedimiento para realizar el ensayo será el siguiente:



y seleccionar el esquema Motor Asíncrono - Freno, con lo que aparecerá la siguiente

figura:

67




C.- Fijar como ejes del gráfico la velocidad frente a la potencia de frenado Pf.


el gráfico.

E.- Observar en la gráfica de velocidad ante variaciones de potencia que prácticamente es una

recta horizontal donde apenas se produce variación de velocidad cuando se modifica la carga

mecánica.

F.- Representar la el factor de potencia frente a la potencia del freno. Observe que el factor de

potencia es bajo en vacío y va mejorando a medida que aumenta la carga.

G.- Representar la potencia activa frente a la potencia reactiva. Observe que la forma de la

curva es un arco de una circunferencia. Este arco forma parte del diagrama del círculo de un

motor asíncrono.

4.3. Funcionamiento de la máquina como motor y acoplamiento a la red

En el ensayo ejemplo (Motor Asíncrono – Dinamo Ejemplo.mso) se han

tomado lectura a un motor trifásico de potencia nominal de 3 kW, 380/660 V y 50 Hz.




y seleccionar el esquema Motor Asíncrono – Dinamo, con lo que aparecerá la

siguiente figura:

68







nombre del fichero.

C.- Fijar como ejes del gráfico la potencia activa frente a la potencia reactiva.


el gráfico.

Observe que al principio la potencia es positiva (funcionamiento como motor) y

después la potencia es negativa (funcionamiento como generador).

69


E.- Representar la potencia activa frente a la potencia reactiva. Observe que la forma de la

curva es un arco de una circunferencia. Este arco también forma parte del diagrama del círculo

de un motor asíncrono.

F.- Representar la el factor de potencia frente a la potencia de la carga. Observe que el factor

de potencia es bajo en vacío y va mejorando a medida que aumenta la carga.

G.- Representar la potencia consumida por la máquina y el par frente a la velocidad.

Estas curvas forman parte de las curvas características, en los puntos normales de

funcionamiento.

H.- Representar la intensidad consumida

por la máquina frente a la velocidad.

70

6.-Prácticas de arranques y variación de velocidad de los motores de inducción

6 Prácticas de arranques y variación

de velocidad de los motores de inducción

1. Objetivos

2. Arranque de los motores asíncronos trifásicos

2.1. Introducción a los arranques

2.2. Arranque directo

2.3. Arranque estrella - triángulo

2.4. Arranque con autotransformador

2.5. Arranque por inserción de resistencias estatóricas

2.6. Arrancador electrónico

3. Variación de velocidad del motor de inducción

3.1. Motor Dahlander

3.2. Convertidor de frecuencia

4. Ensayos

4.1. Arranque de motores

4.2. Variación de velocidad

71


1. Objetivos

En esta práctica vamos a analizar el funcionamiento de los motores asíncronos

trifásicos (motores de inducción) en el arranque y en carga. Realizaremos los distintos

tipos de arranque de la máquina.

Otro aspecto que analizaremos será su comportamiento ante aplicaciones de

variación de velocidad.

2. Arranque de los motores asíncronos trifásicos

2.1. Introducción a los arranques

En el arranque de un motor eléctrico podemos observar que se produce una

punta de arranque del orden de varias veces la intensidad nominal debido a las inercias

mecánicas que el motor debe vencer. Esta sobreintensidad, que depende de la potencia

del motor, puede ser peligrosa, pudiendo destruir el aislante de los devanados del motor

y producir, por tanto cortocircuitos.

Vamos a analizar las curvas características de un motor asíncrono (véase la

figura siguiente ). Se han representado las curvas correspondientes a un motor asíncrono

trifásico de 2 polos (velocidad de sincronismo de 3000 revoluciones por minuto), de 10

KW de potencia nominal y 400 V de tensión. Se han representado las variables par

motor, intensidad y potencia absorbida en función de la velocidad de giro.

A la vista de la figura se observa que la intensidad es máxima cuando la

velocidad es igual a cero, es decir, en el momento de arranque, y que este máximo

(78,35 amperios) es varias veces la intensidad nominal (unos 17 amperios). La

velocidad nominal está próxima a la de sincronismo, donde tanto los valores de

potencia, intensidad y par motor son muy inferiores a sus valores máximos.

72


El objetivo de los distintos métodos de arranque va a ser disminuir esa

sobreintensidad producida en el arranque. La reglamentación eléctrica también nos

impone limitar esa corriente.

Generalmente, los dispositivos de arranque van a disminuir la intensidad de

arranque disminuyendo la tensión aplicada en los primeros momentos de puesta en

marcha del motor, hasta que alcance su velocidad nominal.

La siguiente figura presenta las curvas carácterísticas a una tensión inferior (220

voltios). Observamos que la intensidad de arranque disminuye en la misma razón de

disminución de la tensión. Con esto ya conseguimos el objetivo propuesto, pero

debemos tener en cuenta que no podemos disminuir la tensión indefinidamente, dado

que también se disminuye el par motor (y de forma cuadrática), y podría suceder que el

motor no arrancara.

Los tipos de arranque que vamos a analizar son los siguientes:

a) Arranque directo

b) Arranque estrella - triángulo

c) Arranque con autotransformador

d) Arranque por inserción de resistencias estatóricas

e) Arrancador electrónico

73


2.2. Arranque directo

Este montaje consiste en la conexión del motor directamente a la tensión de red.

Sólo se permite esta conexión para motores de potencia inferior a 0.75 KW.

Todos estos montajes se realizan mediante contactores, que serán los

dispositivos encargados de establecer e interrumpir la conexión del motor. El contactor

se acciona de forma no manual, pudiendo ser gobernado eléctricamente, por aire

comprimido (neumáticamente), etc. Los contactores usados para la práctica serán

electromagnéticos.

De esta manera vamos a separar la parte de conexión del motor (circuito de

potencia o de fuerza, de gran consumo), de la parte de gobierno de los contactores

(circuitos de maniobra o de mando, de poco consumo).

La representación del montaje se realiza

también en dos esquemas, uno de potencia y otro

de mando.

La figura de la derecha representa el

esquema de potencia del arranque directo de un

motor asíncrono trifásico.

El esquema tiene en su parte superior la

alimentación eléctrica, formada por tres líneas

horizontales L1, L2 y L3. El contactor es el

elemento señalado con las letras KM1. Debajo del

contactor tenemos el relé térmico (F1), que es el

elemento de protección del motor.

Una vez que disponemos de tensión en la

red trifásica L1, L2 y L3 conectaremos el motor a

la red mediante el contactor (cuando su bobina

esté conectada a su tensión nominal).

74


En la figura adjunta está

representado el circuito de mando

(conexión y desconexión del contactor).

En este circuito, la alimentación está

representada por dos líneas horizontales,

pero en este caso una en la parte superior y

otra en la parte inferior. Las normas

eléctricas establecen que, por seguridad,

esta tensión no debe ser superior a 110 V,

pudiendo ser continua o alterna.

El control de la bobina de

alimentación del contactor (y por tanto, del

motor) se realiza con dos pulsadores, uno

para su conexión (S1), y otro para su

desconexión (S0).

Si pulsamos S1, cerramos el circuito, con lo que a la bobina KM1 se pone a la

tensión de 110 V. Actúa sobre sus contactos (cierra los contactos abiertos y abre los

contactos cerrados), con lo que el motor se pone en marcha. También cierra su contacto

auxiliar 13-14, que alimenta su propia bobina. Este contacto tiene la misión de mantener

la alimentación de su propia bobina por lo que se denomina contacto de realimentación.

Accionando el pulsador S0 desconectamos la bobina, se desconecta el motor, y

se abre el contacto de realimentación. Una vez que dejamos de pulsar S0, el motor

permanece desconectado.

En caso de sobreintensidad, lo detectará el relé térmico F1 conectado en el

circuito de potencia, pero actuarán sus contactos auxiliares (95-96 y 97-98)

desconectando la bobina del contactor y conectando la lámpara de señalización H1 de

indicación de sobreintensidad.

Esta práctica la realizaremos para ver la intensidad de arranque con conexión

directa, por lo que deberemos de poner un amperímetro en la línea de alimentación del

motor.

IMPORTANTE: Según la norma vigente, la red de alimentación trifásica se representa

con las letras L1, L2 y L3. Antiguamente se representaba mediante R, S y T. Para la

representación de planos utilizaremos exclusivamente la norma actual.

2.3. Arranque estrella - triángulo

Este método consiste en arrancar el motor a una tensión inferior a la nominal

cambiando la conexión de sus devanados. Sabemos que la relación de tensiones por fase

entre un montaje en estrella y un montaje en triángulo es de 3 , por lo que conectamos

75


el motor en estrella durante los primeros momentos del arranque, hasta que alcance su

velocidad nominal.

3De esta forma el bobinado recibe, en el arranque, una tensión veces menor

y, como consecuencia, la intensidad que absorbe cada fase del motor en el momento de

arranque también será 3 veces menor. La relación de intensidades de arranque de

línea entre el montaje triángulo y el de estrella es de 3 veces, dado que en triángulo la

intensidad de línea es ( )333 ⋅=3 veces la intensidad de fase .

La figura anterior representa el circuito de potencia de la conexión estrella -

triángulo. En el caso de que se conecten los contactores KM1 y KM2 el motor se

conecta en estrella y cada devanado del motor estará a 230 voltios. Si después

conectamos KM1 y KM3, el motor se conecta en triángulo, con lo que esta vez cada

devanado tendrá 400 voltios.

Como en el caso de arranque directo, el circuito de potencia dispone de un relé

térmico F1 para la protección del motor.

La conexión interna del devanado trifásico del motor

está representada en la figura de la derecha, donde tenemos

los tres principios de los devanados (U1, V1 y W1) y sus

respectivos finales (U2, V2 y W2).

76


IMPORTANTE: Según la norma vigente, las bornas de los motores se representa con

las letras U1, V1 y W1 los principios y U2, V2 y W2 los finales . Antiguamente se

representaba mediante U, V y W (principios) y X, Y y Z (finales) . Para la

representación de planos utilizaremos exclusivamente la norma actual.

La puesta en marcha se efectúa por medio de dos pulsadores, como en el caso

anterior, uno para la conexión y otro para la desconexión. (Ver circuito de mando en la

figura siguiente).

El paso de conexión de estrella a triángulo lo realizará el relé temporizado a la

conexión KA1 (cambian sus contactos después de un tiempo de estar conectado).

El ciclo de funcionamiento es el siguiente: se acciona el pulsador de puesta en

marcha S1. Conecta el contactor estrella KM2 y el temporizador KA1. El contactor

estrella KM2 conecta el contactor de línea KM1, con lo que el motor arranca en

estrella. Una vez que dejamos de accionar ese pulsador, estas bobinas quedan

alimentadas por el contacto de realimentación 13-14 de KM1.

Al cabo de un tiempo el temporizador actúa desconectando el contactor estrella

KM2, conectando el contactor triángulo KM3 y el temporizador se desconecta,

finalizando el ciclo de puesta en marcha.

Accionando el pulsador de parada S0 se desconecta la bobina, parándose el

motor. En caso de sobrecarga, actúa el relé térmico F1, desconectando todas las

bobinas, y parándose el motor. La lámpara H1 nos señaliza este defecto.

77


2.4. Arranque con autotransformador

Otro de los métodos para disminuir la tensión de alimentación en los primeros

momentos del arranque es utilizando un autotransformador con varias tomas.

Aplicaremos tensión reducida en el arranque y mediante el automatismo iremos

aumentando la tensión aplicada al motor hasta su tensión nominal.

Este método se emplea para

aquellos motores de elevada potencia y

con rotor en cortocircuito.

La figura lateral representa el

esquema de potencia de un circuito de

arranque (de tres pasos) de un motor de

inducción. El funcionamiento es el

siguiente. Primeramente se conecta el

contactor de línea KM1. En este

momento tenemos insertada una

impedancia (la del autotransformador)

en serie con el motor, con lo que la

tensión será inferior a la nominal.

Al cabo de un tiempo (mediante

un temporizador), entrará a funcionar el

contactor KM3 que cierra los finales del

autotransformador. La tensión aplicada

vendrá determinada por la relación de

transformación.

Después se conecta KM2

(desconectándose KM3) con lo que el

motor queda alimentado a su tensión

nominal.

El circuito de mando está representado en la figura siguiente. Deberemos

asegurar que el tiempo establecido por el temporizador KA2 sea superior al del

temporizador KA3.

78


2.5. Arranque por inserción de resistencias estatóricas

Este es otro método para reducir la

tensión aplicada al motor. Consiste en

intercalar entre la red y el motor unos

grupos de resistencias en serie. En estas

resistencias se producirá una caída de

tensión por lo que la diferencia de

potencial entre terminales del motor será

inferior a la nominal.

En la proporción en que se reduzca

la tensión, se reducirá la intensidad; de esta

forma se consigue, a costa de una pérdida

elevada de potencia y par, arrancar el

motor con una punta de corriente pequeña.

Es un sistema poco utilizado y sólo

se emplea en casos de emergencia.

A la derecha tenemos el esquema

de potencia de este montaje, que tiene

prácticamente los mismos elementos del

esquema anterior, excepto el

autotransformador que en este caso se ha

sustituido por resistencias.

En la figura siguiente tenemos

representado el esquema de mando, con

dos temporizadores, pues este arranque se

produce en tres secuencias: Primero entra

KM1, después KM1 y KM2, y en el tercer

paso KM1, KM2 y KM3. Una vez

terminado el arranque, se desconectan los

temporizadores.

79


2.6. Arrancador electrónico

En los últimos años, la electrónica de potencia está sustituyendo a los elementos

electromecánicos utilizados para interrumpir y establecer corrientes eléctricas.

El arrancador suave consta de semiconductores de potencia que controlan la

tensión aplicada al motor. Habitualmente imponen una rampa de tensión ascendente en

una fase de alimentación durante el periodo de arranque. Cuando se alcanza la tensión

nominal, un relé conecta directamente el motor con la línea de alimentación.

El arrancador electrónico permite el arranque progresivo del motor, ajustando el

par de arranque y el tiempo de aceleración.

Este sistema de arranque se utiliza para motores de pequeña y mediana potencia,

normalmente inferior a 40 KW.

Entre las ventajas de esto tipo de arranque destacan las siguientes:

- Instalación simple.

- Arranque suave y progresivo (sin sacudidas).

- Gran duración del equipo de arranque. No hay elementos móviles.

- Control de las intensidades de arranque con ausencia de puntas e

incidencia sobre la pérdida de tensión de la red.

- Posibilidad de controlar el par y tiempo de arranque del motor.

- Prácticamente no hay limitación en el numero de arranques.

80


3. Variación de velocidad del motor de inducción

Hasta hace pocos años, cuando se precisaba variar la velocidad, siempre se

optaba por un motor de corriente continua, dada su gran facilidad para la regulación de

la misma.

En el caso de los motores de corriente alterna, apenas varían la velocidad cuando

modificamos la tensión de aplicación. (Esto lo comprobaremos experimentalmente en el

desarrollo de la práctica).

La velocidad de funcionamiento va a estar próxima a la velocidad de

sincronismo (nunca llegará a esta velocidad), que viene dada por la siguiente fórmula:

60f ×

ns =p

donde: n = la velocidad viene expresada en revoluciones por minuto.s

f = frecuencia (en Hz).

p = número de pares de polos.

Si queremos variar la velocidad, podemos hacerlo de dos maneras distintas:

modificando el número de polos y variando la frecuencia (con los denominados

convertidores de frecuencia).

Vemos a continuación cada una de estas dos posibilidades.

3.1. Motor Dahlander

El motor que varía la velocidad cambiando el número de polos, es el motor

Dahlander.

En estos motores, únicamente podemos hacer funcionar el motor a dos

velocidades distintas (una doble de la otra), por lo que podemos decir que es una

variación discreta de la velocidad, con aplicación en máquinas con dos velocidades de

funcionamiento: lenta y rápida. Piénsese, por ejemplo en el control de un ascensor o de

un puente grúa, donde se requiere velocidad lenta en los momentos antes de llegar al

final de su recorrido y velocidad rápida en el resto.

Este motor consta de un devanado

trifásico con una toma media en cada devanado y

conectado en triángulo, como indica la figura

adjunta. Obsérvese que, por estar conectado

interiormente en triángulo tiene también seis

terminales, como un motor de inducción normal.

81


Si conectamos la alimentación en los vértices del triángulo, lo que se denomina

conexión triángulo, conseguimos la velocidad lenta (número de polos mayor). Si

conectamos en las tomas medias y cerramos en estrella los vértices, lo que se denomina

conexión en doble estrella, el motor gira en velocidad rápida. En conexión triángulo, el

número de polos es doble que el de la conexión doble estrella. Estas conexiones están

ilustradas en la siguiente figura.

La siguiente figura representa el circuito de potencia de la conexión de un motor

Dahlander.

82


En el esquema de mando, en la siguiente figura, vemos que tenemos un pulsador

de parada (S0) y dos pulsadores, uno para marcha lenta (S1), y otro para la marcha

rápida (S2).

Convertidor de frecuencia3.2.

En aquellas aplicaciones donde se requiere una variación continua de la

velocidad, se recurre modernamente al variador de frecuencia. Por la fórmula de la

velocidad expuesta anteriormente

p

60fn

s

×

=

vemos que la velocidad es directamente proporcional a la frecuencia. Si conseguimos

una variación continua de la frecuencia, habremos obtenido una variación continua de la

velocidad.

Esto se consigue con un convertidor de frecuencia, que está formado por un

rectificador trifásico de corrientes alternas trifásicas a corriente continua y un

ondulador, que es un convertidor estático que transforma corriente continua en corriente

alterna, con posibilidad de variar la tensión y la frecuencia.

Para variar la velocidad, en estos motores, es necesario variar la frecuencia y la

tensión de alimentación, función que realiza el ondulador.

83


Estos dispositivos llevan incorporada además de la función principal de

variación de frecuencia, otras como las siguientes:

- Frenado dinámico.

- Frenado por corriente continua (circulación de corriente continua por el

devanado del motor).

- Posibilidad de dos sentidos de giro (inversión).

- Rampa de aceleración y deceleración.

- Sistemas de protección contra sobrecargas, sobretensiones y contra baja

tensión.

- Integración a un sistema automático de control.

A continuación se representa el esquema de potencia (el circuito de mando es el

mismo que el de un arranque directo) de la conexión de un variador de frecuencia:

84


4. Ensayos

4.1. Arranque de motores

Conectar un motor asíncrono y realizar un arranque directo, tomando la

intensidad de arranque. Realizar la operación anterior para varias cargas.

Elegir otro tipo de arranque y medir igualmente la intensidad de arranque para

varias cargas, como en el caso anterior.

4.2. Variación de velocidad

A partir de la conexión directa de un motor de inducción, obtener la curva

tensión velocidad para observar la variación de velocidad de estos motores ante

variaciones de tensión.

Realizar el montaje para un motor Dahlander.

Conectar el variador de frecuencia y comprobar las distintas funciones del

mismo: variación de velocidad, arranque suave, control por potenciómetro, etc.

85


86

7.- Práctica de variación de velocidad de motores de cc

7 Práctica de motores de cc

1. Objetivos

2. Introducción teórica

2.1. Motores de corriente continua

2.2. Tipos de excitaciones en la máquina de corriente continua

2.3. Velocidad en motores de corriente continua

3. Ensayos

3.1. Variación de velocidad del motor de corriente continua con la tensión aplicada y

con el flujo

3.2. Variación de velocidad del motor de c.c. independiente con la carga

3.3. Variación de velocidad del motor de c.c. shunt con la carga

3.4. Variación de velocidad del motor de c.c. serie con la carga


4.1. Variación de velocidad del motor de corriente continua con la tensión aplicada y

con el flujo




87


1. Objetivos

En esta práctica vamos a analizar las formas de variar la velocidad en los

motores de corriente continua. En este tipo de máquinas tenemos dos formas de variar la

velocidad como son el modificar la tensión en bornes y la intensidad de excitación.

La variación de velocidad tradicionalmente venía realizándose con los motores

de corriente continua. Actualmente, con los variadores de frecuencia, es posible variar

también de manera sencilla la velocidad en los motores de corriente alterna.

En esta práctica se obtendrán las curvas de variación de velocidad ante

variaciones de tensión, intensidad de excitación y carga aplicada.

2. Introducción teórica

2.1. Motores de corriente continua

Las máquinas de corriente continua (motores y generadores o dinamos), al igual

que el resto de máquinas eléctricas, disponen de dos partes claramente diferenciadas: el

inductor y el inducido.

El inductor va a ser el encargado de producir el flujo magnético necesario que va

a recorrer el circuito magnético uniendo magnéticamente el estator y el rotor y también

el inductor con el inducido. En el inducido se van a producir las fuerzas

contralectromotrices que van a dar origen a intensidades en el inducido y a pares que

producen el movimiento de la máquina.

La siguiente figura representa un esquema de la máquina, donde tenemos el

inducido, señalado por las letras A-B y el inductor, señalado por J-K.

En el esquema representado, el inductor y el inducido están separados

eléctricamente por lo que se trata de una máquinas que se denomina de excitación

independiente.

88


El fundamento de está máquina es el siguiente. Al aplicar una tensión al inductor

se establece una intensidad de excitación Iexc que recorre el devanado del inductor,

según la ley de Ampere.

∫ Iexc.Nexcdl.H =

Esta corriente produce un flujo magnético que recorre todo el circuito

magnético, que une inductor con inducido. Sobre el inducido se aplica una tensión Vb

por una fuente cuya energía eléctrica se va a transformar en energía mecánica. Esta

tensión Vb va a dar origen a una intensidad por el devanado del inducido (Ii). Pues

bien, esta intensidad del inducido Ii sobre el la inducción magnética Bexc producida por

la intensidad de excitación Iexc va a dar origen a unas fuerzas que provocarán el

movimiento del rotor, según la siguiente fórmula de Lorentz.

∫=Ii

F

L

× Bexcdl.

2.2. Tipos de excitaciones en la máquina de corriente continua

Dependiendo de la forma constructiva del devanado inductor tenemos distintos

tipos de máquinas.

a) Excitación independiente

El esquema explicado anteriormente corresponde a una excitación

independiente, dado que el inductor no está unido eléctricamente con el inducido. La

tensión aplicada al inductor suelen ser del mismo orden que la aplicada al inducido, por

lo que la resistencia que debe presentar el devanado del inductor debe ser elevada

(muchas espiras y de pequeña sección). La siguiente figura muestra de nuevo este

esquema.

89


b) Excitación derivación

En este tipo de máquinas, el inductor y el inducido están conectados

eléctricamente, por lo que el inductor toma la energía del mismo punto que la toma el

inducido por lo que en este caso se habla de máquina autoexcitada. Todas las máquinas

que veremos a continuación serán máquinas autoexcitadas.

El la máquina con excitación derivación, el inductor se conecta en paralelo con

el inducido, según muestra el esquema de la figura, por lo que la tensión del inductor

será del mismo orden que la del inducido (la tensión no es exactamente igual debido a la

resistencia conectada en serie con el fin de variar la intensidad de excitación).

Exáctamente igual que en el caso de excitación independiente, se requiere que el

devanado presente elevada resistencia, por lo que estará formado por muchas espiras de

pequeña sección.

c) Excitación serie

En este tipo de máquinas, el inductor y el inducido están conectados

prácticamente en serie, por lo que la intensidad del inductor es del mismo orden que la

del inducido (excepto por la resistencia conectada en paralelo con el fin de variar la

intensidad de excitación). Véase la siguiente figura.

En este esquema, dado que la caida de tensión en el devanado inductor debe ser

pequeña, éste estará formado por muy pocas espiras de elevada sección.

90


d) Excitación compuesta

En aquellas máquinas donde tenemos los dos tipos de excitaciones explicados

anteriormente podemos realizar una combinación de ellas con el fin de mejorar las

ventajas.

Vamos a tener dos maneras de conectar las dos excitaciones, dependiendo que el

devanado derivación esté junto al inducido, lo que se denomina excitación compuesta

(compound) corta, y si el devadado derivación está alejado del inducido se le llama

excitación compuesta (compound) larga.

La siguiente figura representa una máquina con excitación compuesta corta

(compound corta).

La siguiente figura representa una máquina con excitación compuesta larga

(compound larga).

91


2.3. Velocidad en motores de corriente continua

En los motores de corriente continua, la fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.)

viene dada por la siguiente fórmula:

a

pn.N.E´.c.e.m.F ×φ==

60

siendo:

= Flujo total por polo (Weber).φ

N = Número de conductores.

n = Velocidad del rotor en revoluciones por minuto (r.p.m.).

p = Pares de polos.

a = Pares de circuitos paralelos.

La expresión de la Fuerza contralectromotriz E’, es aproximadamente igual a la

tensión aplicada Vb ya que E’ viene dada (observe el esquema de la figura anterior)

como:

VbIi.Ri-bVE´ ≅=siendo:

Vb = Tensión en bornas aplicada al motor.

Ri = Resistencia del devanado de inducido.

De estas dos ecuaciones:

pn.N.φ== E´.c.e.m.F ×

a60

VbIi.Ri-bVE´ ≅=

despejamos la velocidad n, y consideramos constante el número de conductores, el

número de polos y el número de circuitos en paralelo, por lo que obtenemos que la

velocidad n viene expresada como:

kn

φ

≅

Vb

Esta fórmula nos indica que es posible variar la velocidad de un motor de

corriente continua de dos maneras diferentes: Variando su tensión aplicada Vb y

variando el flujo, es decir, la intensidad de excitación Iexc.

92


3. Ensayos

3.1. Variación de velocidad del motor de corriente continua con la tensión

aplicada y con el flujo




siguiente figura (excitación independiente).

Las medidas del inducido (tensión, intensidad, potencia y energía) las realizamos

todas ellas con el analizador de redes de corriente continua CVMDC señalado con el

número de periférico 45.

La medida de velocidad la hacemos mediante el medidor digital de corriente

alterna configurado como voltímetro DH96AC con número de periférico 22, en el que

hemos cambiado la escala para poder medir revoluciones por minuto en vez de voltios.

La medida de la intensidad de excitación la realizamos mediante el medidor

digital de corriente continua configurado como amperímetro DH96DC con número de

periférico 26.

93



Eléctricas.



Medidas Eléctricas y seleccionar el esquema Motor de cc independiente, con lo que

aparecerá la pantalla de la siguiente figura:

C.- Conectar el motor en vacío.

D.- Proceder a realizar las lecturas y poner como ejes del gráfico la velocidad frente a la

tensión en bornas Vb.

E.- Ir disminuyendo progresivamente la tensión aplicada.


G.- Observar en el gráfico la proporcionalidad entre la tensión aplicada y la velocidad.

H.- Limpiar el gráfico con el control correspondiente.

I.- Proceder a realizar las lecturas y poner como ejes del gráfico la velocidad frente a la

intensidad de excitación Iexc.

J.- Ir variando progresivamente la intensidad de excitación.

K.- Dejar de adquirir las lecturas de los aparatos de medida.

L.- Observar en el gráfico la relación entre la velocidad y la intensidad de excitación.

94






siguiente figura (excitación independiente).









periférico 26.


Eléctricas.



Medidas Eléctricas y seleccionar el esquema Motor de cc independiente, con lo que


95


C.- Conectar el motor a la red acoplándole una carga mecánica (p.ej. una dinamo).

D.- Aplicar al motor su tensión nominal y una intensidad de excitación próxima a su valor

nominal..

E.- Proceder a realizar las lecturas y poner como ejes del gráfico la velocidad frente a la

Intensidad del Inducido Ii.

F.- Ir variando progresivamente la carga mecánica.

G.- Dejar de adquirir las lecturas de los aparatos de medida.

H.- Observar en el gráfico la relación entre la velocidad y la potencia.

96






siguiente figura (excitación shunt o derivación).

Las medidas de la línea (tensión, intensidad, potencia y energía) las realizamos








periférico 26.


Eléctricas.



97


Medidas Eléctricas y seleccionar el esquema Motor de cc shunt, con lo que aparecerá

la pantalla de la siguiente figura:



nominal..






98






siguiente figura (excitación serie).








Eléctricas.



Medidas Eléctricas y seleccionar el esquema Motor de cc serie, con lo que aparecerá la

pantalla de la siguiente figura:

99




nominal..






100




4.1. Variación de velocidad del motor de corriente continua con la tensión

aplicada y con el flujo


volver a obtener los resultados del laboratorio. En el ensayo ejemplo (ficheros Motor de

cc independiente Curva n-Vb Iexcte.mso y Motor de cc independiente Curva n-

Iexc Vcte.mso) se han tomado lectura a un motor de continua con excitación

independiente a los que se ha realizado un ensayo de variación de velocidad con la

tensión manteniendo el flujo constante y un ensayo de variación de velocidad con el

flujo manteniendo la tensión aplicada constante.




y seleccionar el esquema Motor de cc independiente, con lo que aparecerá la siguiente

figura:



Seleccionaremos en primer lugar el fichero Motor de cc independiente Curva n-Vb

Iexcte.mso.

101





nombre del fichero.

C.- Fijar como ejes del gráfico la

velocidad frente a la tensión en bornes

Vb.

D.- Mover la barra deslizante desde el

principio hasta el final.

E.- Observar en el gráfico la

proporcionalidad entre la tensión aplicada

y la velocidad.

F.- Limpiar el gráfico con el control

correspondiente.

G.- Seleccionaremos el Motor de cc

independiente Curva n-Iexc Vcte.mso.

H.- Poner como ejes del gráfico la

velocidad frente a la intensidad de

excitación Iexc.

I.- Mover la barra deslizante desde el


J.- Observar en el gráfico la relación

entre la velocidad y la intensidad de

excitación.

K.- Limpiar el gráfico con el control

correspondiente.

102




volver a obtener los resultados del laboratorio. En el ensayo ejemplo (fichero Motor de

cc independiente Curva n-Ii 1.mso) se han tomado lectura a un motor de continua con

excitación independiente al que se ha realizado un ensayo de variación de carga

mecánica manteniendo constante la tensión y el flujo.




y seleccionar el esquema Motor de cc independiente, con lo que aparecerá la siguiente

figura:



Seleccionaremos el fichero Motor de cc independiente Curva n-Ii 1.mso.




nombre del fichero.

103



velocidad frente a la Intensidad del

inducido.



E.- Observar en el gráfico las tres curvas

tomadas para tres tensiones diferentes.

.

F.- Modificar la variable del eje Y

poniendo el par.

G.- Observar en el gráfico las tres curvas


H.- Limpiar el gráfico con el control

correspondiente.




cc shunt Curva n-Ii 1.mso) se han tomado lectura a un motor de continua con

excitación shunt al que se ha realizado un ensayo de variación de carga mecánica

manteniendo constante la tensión y el flujo.




y seleccionar el esquema Motor de cc shunt, con lo que aparecerá la siguiente figura:

104




Seleccionamos el fichero Motor de cc shunt Curva n-Ii 1.mso.


velocidad frente a la Intensidad de carga.





.

105



poniendo el par.




correspondiente.




cc serie Curva n-Ii 1.mso) se han tomado lectura a un motor de continua con

excitación serie al que se ha realizado un ensayo de variación de carga mecánica

manteniendo constante la tensión y el flujo.




y seleccionar el esquema Motor de cc serie, con lo que aparecerá la siguiente figura:

106




Seleccionamos el fichero Motor de cc serie Curva n-Ii 1.mso.


velocidad frente a la Intensidad de carga.





.


poniendo el par.




correspondiente.

107


108

8.- Práctica con el alternador síncrono

8 Práctica con el alternador

síncrono

1. Objetivos

2. Máquina síncrona

2.1. Introducción teórica de la máquina síncrona

2.2. Planteamiento del análisis de la máquina síncrona

2.3. Resolución del problema de análisis de la máquina síncrona

2.4. Diagrama fasorial de la máquina síncrona

3. Ensayos

3.1. Acoplamiento del alternador síncrono a la red

3.2. Obtención de la curva de vacío

3.3. Obtención de las curvas en V de una máquina síncrona

Reproducción de ensayos a partir de datos almacenados (Laboratorio virtual)




4.

109


1. Objetivos

La práctica consiste básicamente en realizar un acoplamiento a la red eléctrica

del alternador síncrono.

Para la máquina síncrona se analizará el comportamiento de las magnitudes

fundamentales (tensión en bornes, fuerza electromotriz, intensidad, y ángulo de desfase

entre tensión e intensidad).

2. Máquina síncrona

2.1. Introducción teórica de la máquina síncrona

Estas máquinas son utilizadas fundamentalmente como generadores de energía

eléctrica en las centrales de producción de energía. Es por esto que, en el análisis de esta

máquina utilizaremos la notación de generador, es decir, potencias positivas serán

potencias generadas, y potencias negativas serán potencias consumidas.

IMPORTANTE: En el análisis de esta máquina utilizaremos la notación de generador.


La máquina síncrona está formada por un devanado inductor y un devanado

inducido. El devanado inductor, normalmente situado en el rotor, se alimenta con

tensión continua, y su intensidad (intensidad de excitación) producirá un campo

magnético giratorio (con una velocidad de giro igual a la del movimiento del rotor).

110


El devanado inducido, formado por tres grupos de bobinas desfasadas

espacialmente 120 grados (devanado trifásico) “recoge” el flujo producido por el

devanado inductor, y produce (ley de Faraday) fuerzas electromotrices en cada uno de

los tres grupos de bobinas. Estas fuerzas electromotrices son alternas, tienen la misma

amplitud y están desfasadas 120 grados, por lo que conforman un sistema trifásico de

tensiones.

La frecuencia de la tensión generada depende directamente de la velocidad de

giro. No olvidemos que la frecuencia es el número de ciclos por segundo, por lo que,

para una máquina de dos polos (un ciclo se produce en cada vuelta) si queremos generar

frecuencia de 50 ciclos por segundo deberemos hacer girar el rotor a 50 vueltas por

segundo o, lo que es lo mismo, 3.000 vueltas (revoluciones) por minuto (3.000 r.p.m.

son 50 vueltas por 60 segundos que tiene cada minuto).

En el caso de que la máquina tenga 4 polos, un ciclo completo se repite cada

media vuelta, por lo que para generar una tensión a 50 Hz, deberemos hacer girar al

alternador a 1.500 r.p.m. (50 x 0,5 x 60). A esta velocidad se le denomina velocidad

síncrona “ns”, y que, por lo dicho anteriormente, obedece a la fórmula siguiente:

60f

ns

⋅

=

p

siendo ns: la velocidad síncrona en revoluciones por minuto (r.p.m.),

f: la frecuencia de la tensión generada en Hz y

p: el número de pares de polos.

2.2. Planteamiento del análisis de la máquina síncrona

IMPORTANTE: En el análisis de esta máquina utilizaremos la notación de generador.

Antes de presentar el ensayo a realizar, analizaremos teóricamente el

comportamiento de las máquinas en régimen permanente. En la siguiente figura

tenemos representado el esquema unifilar del sistema objeto de nuestro estudio,

compuesto por un generador (con su fuerza electromotriz, resistencias, autoinducciones,

etc.), una carga trifásica y la línea de conexión del generador con la carga.

Para el análisis de este sistema, usando la teoría de circuitos, descomponemos el

sistema en un conjunto de tres generadores monofásicos conectados en estrella,

resistencias y autoinducciones internas (propias del generador o de la línea), y la carga

trifásica equilibrada (de estructura simétrica).

111


La generación proporciona un

sistema equilibrado de tensiones

(tensiones fase a neutro) que obedecen

a las siguientes funciones:

()θ+ω= tcosE2(t)e g1gL ()θ+ω

= 120-tcosE2(t)e g

2gL o

()θ+ω= 240-tcosE2(t)eg3gL

o

siendo “Eg” el valor eficaz de la fuerza electromotriz y “θ” el llamado ángulo de carga

o ángulo de par (desfase entre la fuerza electromotriz del generador y la tensión en

bornes).

Una vez conectada la carga, se establecerá un sistema trifásico equilibrado de

intensidades (corrientes de línea) de valores:

( )ϕω= -tcosI2(t)i1L ( )ϕ

ω= -120

-tcosI2(t)i2L o( )ϕ

ω= -240-tcosI2(t)i3L o


intensidad de corriente.

La tensión en bornes de la carga formará un sistema trifásico equilibrado de

tensiones (tensiones fase a neutro), y tomaremos su argumento como origen de fases

(obsérvese que con esta asignación no se pierde generalidad):

tcosVb2(t)vbL1 ω=



en el que “Vb” es el valor eficaz de la tensión en bornes de la carga.

2.3. Resolución del problema de análisis de la máquina síncrona

Para resolver el problema

realizamos la transformación del

circuito objeto de análisis al

dominio fasorial, con lo que nos

quedaría el esquema de la figura

lateral, y en la que las distintas

variables llevan una línea superior

que indica que ahora trabajamos en

el dominio fasorial. Éstas son la

fuerza electromotriz, la impedancia del generador, la intensidad y la tensión en bornes.

112


Por tratarse de un sistema trifásico

equilibrado de estructura simétrica,

abordaremos su estudio con el circuito

monofásico equivalente (ver la figura lateral),

dado que una vez obtenida la solución para una

fase, tenemos resuelto el problema para las tres fases sin más que desplazar las

magnitudes 120º.

Con esta simplificación, reducimos las incógnitas a las tres siguientes, que

representamos mediante su forma polar:

gEE

ºjθ

gL1

V

g

eE==

º0j

bL1

eVb

Vb

==

º-j

L1

eIII ϕ==


Las ecuaciones necesarias para el análisis y la resolución del problema son las

que se muestran a continuación:

IZgVbEg ⋅

+=P = 3 Vb I cos ϕ

Q = 3 Vb I sen ϕ

2.4. Diagrama fasorial de la máquina síncrona

Para el análisis del comportamiento de estas máquinas, también se utiliza el

diagrama fasorial, en el que representaremos las magnitudes más importantes: tensión

en bornes Vb, fuerza electromotriz Eg, intensidad de la corriente establecida I y la caida

de tensión en el generador Zg.I (véase la siguiente figura donde tenemos la tensión en

bornes como origen de fases, la fuerza electromotriz, la intensidad y la caida de tensión

en la impedancia). Se representa únicamente las magnitudes de la primera fase, pues las

correspondientes al resto de fases tienen el mismo módulo y están desfasadas respecto a

aquellas 120 grados.

Obsérvese que la intensidad está retrasada un ángulo ϕ respecto a la tensión (el

generador produce energía reactiva inductiva, que es consumida por la carga a él

conectada), y la fuerza electromotriz está adelantada un ángulo θ. Esto quiere decir que

la potencia es positiva, es decir, el alternador está produciendo potencia eléctrica.

113


IMPORTANTE: La representación de todos los diagramas fasoriales se ha realizado

referenciando las tensiones e intensidades con la notación de generador (la intensidad

sale del terminal positivo del generador).

En la siguiente figura se representa el diagrama fasorial de la máquina

funcionando como generador de energía eléctrica. Además, el generador produce

energía reactiva capacitiva, que es consumida por la carga.

Estas máquinas de generación también pueden trabajar como motores, es decir,

como cargas eléctricas. Experimentalmente, esto se consigue desconectando el motor

primario (y acoplando una carga mecánica al eje). En este caso, la potencia será

negativa, y la intensidad tendrá sentido contrario al representado en las figuras

anteriores.

La siguiente figura representa el diagrama fasorial de la máquina funcionando

como motor, pues su potencia activa es negativa. Además, está consumiendo energía

reactiva capacitiva procedente de la red a la que está conectado.

Observe que la fuerza electromotriz está retrasada un ángulo θ respecto de la

tensión en bornes, lo que significa que la potencia activa es negativa.

La siguiente figura representa la máquina funcionando como motor (también su

potencia activa es negativa). Este motor consume potencia reactiva inductiva, que será

aportada por la red eléctrica a la que está conectado.

114


3. Ensayos




La siguiente figura representa un esquema de principio para el acoplamiento del

alternador síncrono a la red, compuesto por el alternador, la red, el interruptor de

acoplamiento y los aparatos de medida necesarios para medir las magnitudes

fundamentales.

IMPORTANTE: La conexión de los aparatos de medida (vatímetros, contadores, etc.)

se ha realizado referenciando las tensiones e intensidades con la notación de generador

(la intensidad sale del terminal positivo del generador), por lo que si la potencia y

energía es positiva indicará que funciona como generador. En caso contrario funcionará

como motor.

Las medidas correspondientes al generador síncrono se harán mediante el

analizador de redes CVM (periférico 35). La velocidad se medirá con el DH96AC-22.

Para la medida de la intensidad de exctación se usará el medidor de corriente continua

DH96DC-26. Para las variables correspondientes al motor primario de corriente

continua se usará el analizador de redes de corriente continua CVMDC-45.

115


B.- Conexión del panel de medidas con el ordenador y ejecución del programa de

Medidas Eléctricas.



Medidas Eléctricas y seleccionar el esquema Síncrona – Motor de cc, con lo que


C.- Acoplamiento del alternador a la red

En dicha máquina, para poder acoplarse a la red (o a otro alternador) se deben de

cumplir las siguientes condiciones:

• Igualdad de tensiones entre el generador y la red.

• La secuencia de fases L1-L2-L3 debe ser igual en el generador y en la

red donde se vaya a acoplar.

• La frecuencia del alternador debe coincidir con la frecuencia de la

red.

Para poder cumplir la primera y tercera condición nos ayudamos de los dos

voltímetros y los dos frecuencímetros.

116


La secuencia de fases la comprobaremos mediante un medidor de secuencia,

formado por un motor, con el que veremos que el sentido de giro es el mismo en el caso

de conectarlo al alternador y a la red de acoplamiento.

El instante en el que debemos conectar el alternador a la red (una vez cumplidas

las condiciones anteriores) lo indicará el sincronoscopio, aparato que nos señala el

instante en el que las tensiones del alternador y de la red están sincronizadas.

Existen sincronoscopios

industriales en el mercado, pero nosotros

utilizaremos aquí el sincronoscopio más

“primitivo” de tres lámparas, que se

conecta como indica la figura lateral.

La lámpara conectada a la primera

fase (L1), llamada lámpara de cero, nos

indicará cuando esté totalmente apagada

que se puede acoplar, dado que mide la

diferencia entre la tensión del alternador y

la de la red.

Las otras dos lámparas se conectan

a fases cruzadas (L2 y L3) y son colocadas

junto a la primera lámpara formando un triángulo. De esta manera las lámparas

alcanzan su brillo en forma cíclica. La velocidad de giro del ciclo de iluminación de las

tres lámparas dependerá de la diferencia entre la frecuencia del alternador y la

frecuencia de la red. Según el sentido de rotación, podremos saber si la frecuencia del

alternador es mayor que la frecuencia de la red o viceversa.

Para realizar con éxito el acoplamiento del alternador a la red eléctrica deben

seguirse los siguientes pasos:

1. Mediante el motor de arrastre, haremos girar al alternador a la

velocidad síncrona. La velocidad la obtenemos del voltímetro

conectado al tacogenerador.

2. Por medio de los dos voltímetros, comprobaremos que la tensión es

igual en el alternador y en la red.

3. Comprobar que coincide la secuencia de fases en la red y en el

generador mediante un indicador de secuencia.

4. Comprobar la igualdad de frecuencias. Por lo visto anteriormente, si

se desea aumentar la frecuencia del generador, se deberá aumentar la

velocidad del motor de arrastre del alternador y, consecuentemente,

si se desea disminuir la frecuencia, se deberá disminuir la velocidad

del motor. Mediante el giro en el movimiento de la luz de las tres

lámparas del sincronoscopio podemos ver si la frecuencia de la red

es mayor o menor que la del alternador.

5. Cerrar el interruptor en el momento en que la lámpara cero del

sincronoscopio está apagada. Una vez conectado, el alternador queda

sincronizado con la red, y funcionando en vacío.

117


D.- Proceder a realizar las lecturas mediante el control correspondiente.

E.- Aumentar la velocidad del motor de arrastre (primario).

Observe que aumenta la potencia generada (véase en el medidor de dos agujas).

F.- Modificar la intensidad de excitación de la máquina.

Observe como la máquina síncrona modifica la potencia reactiva y el factor de

potencia, consiguiendo incluso generar potencias rectivas capacitivas.

G.- Hacer trabajar a la máquina como motor, desconectando el motor primario.

Observe que el paso de alternador a motor se hace sin discontinuidad, que la

máquina síncrona ahora comienza a consumir potencia activa y que la velocidad no se

altera ante cambios de carga.




Trabajaremos con el mismo esquema del ensayo anterior.



C.- Hacer girar al motor de arrastre a la velocidad nominal del alternador.

D.- No conectar al alternador ninguna carga eléctrica y observar que la frecuencia de

la tensión de generada es de 50 Hz.

E.- Disminuir la excitación al mínimo.

F.- Comenzar a realizar las lecturas, representando en el gráfico la tensión en bornas

frente a la intensidad de excitación.

G.- Ir aumentando la excitación y dejar que el sistema tome valores representándolos

en el gráfico.




118





C.- Conectar la máquina a la red, siguiendo las instrucciones del primer ensayo.

D.- Comenzar a realizar las lecturas, representando en el gráfico la intensidad del

inducido de la máquina síncrona frente a la intensidad de excitación.

E.- Fijar un valor de la excitación y variar la potencia activa.

Observe la forma en V de la curva que sale en el gráfico.

F.- Fijar otro valor de la excitación y variar la potencia activa.







y seleccionar el esquema Síncrona - Motor de cc, con lo que aparecerá la siguiente

figura:

119




Seleccionar el fichero Síncrona – Motor de cc Acoplamiento.mso.

C.- Mediante la barra deslizante, colocarse al inicio e ir moviendo el cursor hacia la

derecha.

D.- Observe que al aumentar la velocidad del motor primario aumenta la potencia

activa.

E.- Observe que al modificar la excitación se modifica la potencia reactiva de la

máquina pasando a trabajar como carga reactiva capacitiva.







C.- Seleccionaremos del menú desplegable superior la opción Datos almacenados ->


Seleccione el ejemplo correspondiente a la curva de vacío.

120



derecha hasta el final de su recorrido.

D.- Seleccione en el gráfico la tensión en

bornas Vb frente a la intensidad de

excitación Iexc.

E.- Observe que al aumentar la excitación

va aumentando la tensión en bornas,

configurando en el gráfico la curva de

vacío.







C.- Seleccionaremos del menú desplegable superior la opción Datos almacenados ->


Seleccione el ejemplo correspondiente a las curvas en V.

121



derecha hasta el final de su recorrido.

D.- Seleccione en el gráfico la intensidad

del inducido I frente a la intensidad de

excitación Iexc.

E.- Observe como se van formando las

curvas en V características de la máquina

síncrona.

122

9.- Práctica con el interruptor diferencial

9 Práctica con el interruptor

diferencial

1. Objetivos

2. Protecciones eléctricas a personas

2.1. Introducción

2.2. Esquemas de conexión del neutro

2.3. Protección contra contactos directos e indirectos

2.4. Protección contra contactos directos

2.5. Protección contra contactos indirectos

3. Ensayos

3.1. Ensayo del interruptor diferencial



123


1. Objetivos

La práctica consiste en realizar una serie de prácticas con el interruptor

diferencial con el fin de conocer algunas medidas de protección contra contactos

indirectos.

2. Protecciones eléctricas a personas

2.1. Introducción

El objetivo que persiguen las protecciones eléctricas a personas es prevenir la aparición

de diferencias de potencial excesivas entre puntos accesibles.

Los elementos accesibles de una instalación susceptibles de adquirir un potencial

eléctrico van a ser aquellos elementos conductores, es decir, las estructuras metálicas,

carcasas, etc.; incluso el propio terreno dado que tiene una cierta conductividad.

Para evitar la aparición de una diferencia de potencial (o tensión) entre partes

accesibles (o entre una parte accesible y tierra) podemos pensar en la solución de unir

eléctricamente (mediante un conductor eléctrico) todos estos elementos, con lo que

conseguimos que, en cualquier caso, la diferencia de potencial va a ser cero. Esta es la

filosofía que se persigue con las puestas a tierra: unir eléctricamente todas las partes

accesibles entre ellas y con la tierra, utilizando ésta como un conductor que sirva

además como sumidero de las corrientes de defecto.

El propio Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT), en su Instrucción

Técnica Complementaria ITC-BT-18 sobre Instalaciones de Puesta a Tierra dice

textualmente:

“Las puestas a tierra se establecen principalmente con objeto de

limitar la tensión que, con respecto a tierra, puedan presentar en un

momento dado las masas metálicas, asegurar la actuación de las

protecciones y eliminar o disminuir el riesgo que supone una avería

en los materiales eléctricos utilizados.”

Importante: El mantener diferencias de potencial nulas entre partes accesibles y

tierra va a ser imposible debido fundamentalmente a que el terreno no es precisamente

un buen conductor. (El cobre tiene una resistividad de 178×10-10 Ω m, mientras que la

resistividad del suelo suele variar entre 1 y 10.000 Ω m).

Por lo expuesto anteriormente, en las protecciones eléctricas va a tener vital

importancia las distintas formas de conexión de las puestas a tierra. En instalaciones

124


eléctricas domésticas nos fijaremos especialmente en los distintos esquemas de

distribución de energía eléctrica, cuestión que analizaremos a continuación.

2.2. Esquemas de conexión del neutro

Las situaciones de faltas de tierra y las consecuencias del contacto con masas en

tensión están, como es lógico, relacionadas con el estado del neutro y la situación

respecto a las masas. A este respecto, en la norma internacional CEI 364-3 los sistemas

eléctricos se identifican básicamente con dos letras.

La primera letra indica la situación de un conductor activo de alimentación

(generalmente el neutro) respecto a la tierra:

125


T = conexión directa a tierra de un punto del sistema eléctrico (habitualmente

el neutro).

I = aislamiento respecto a tierra o conexión de un punto (habitualmente el

neutro) a tierra a través de una impedancia.

La segunda letra indica la situación de las masas respecto a la tierra.

T = masas conectadas a tierra.

N = masas conectadas al punto conectado a la tierra del sistema.

Esquema TT

El esquema TT tiene un punto de alimentación conectado directamente a tierra y

las masa de la instalación eléctrica también están conectadas a tierra, pero a tomas de

tierra eléctricamente distintas de la toma de tierra de la alimentación. Por consiguiente,

la corriente de falta vuelve a la unión de la fuente de alimentación a través de tierra. En

instalaciones de este tipo, el neutro normalmente está distribuido y su función consiste

en permitir que esté disponible la tensión de fase que se requiere para alimentación de

cargas monofásicas.

Se emplea en las instalaciones alimentadas directamente por una red de

distribución pública en baja tensión (abonados domésticos).

Esquema TN

Los esquemas TN tienen un punto conectado directamente a tierra, y las masas

de la instalación están unidas a ese punto a través de los conductores de protección.

126


Consideramos dos tipos de esquemas TN, según la disposición del neutro (N) y

del conductor de protección (PE):

Esquema TN-S en el cual el conductor de protección y el conductor del

neutro son cables diferentes.

Esquema TN-C en el cual las funciones de neutro y de conductor de

protección se combinan en un único conductor en el conjunto del

esquema.

127


En todos los esquemas TN, la corriente de falta vuelve a la unión con la fuente

de alimentación a través de una conexión metálica directa sin que intervenga la puesta a

tierra.

Es poco empleado en España y en Francia, pero muy utilizado en Alemania y

Estados Unidos, particularmente en instalaciones domésticas.

Esquema IT

En el esquema IT, todas las partes activas están aisladas de tierra o bien están

conectadas a tierra por medio de una impedancia, y las masas de la instalación eléctrica

están puesta a tierra.

El neutro puede estar o no distribuido. La instrucción ITC-BT-08 recomienda la

no distribución del neutro.

En el caso de producirse una falta a tierra, la corriente vuelve a la unión de la

fuente de alimentación a través de la instalación de puesta a tierra de las masas y a

través de las capacidades de los conductores de línea.

Este tipo de esquema se encuentra en instalaciones industriales de cierta

importancia que disponen de estación transformadora AT/BT privada, cuando una

interrupción del servicio de energía eléctrica pueda tener consecuencias graves.

Presenta el inconveniente de originar sobretensiones transmitidas por el

transformador y susceptibles de perforar aislantes o destruir materiales.

128


Una vez expuestos los distintos esquemas de conexiones a tierra, entramos a

describir los sistemas de protección.

2.3. Protección contra contactos directos e indirectos

La norma CEI 364 (CEI: Comisión Electrotécnica Internacional) clasifica dos

tipos de contacto: directos e indirectos. Se entiende por contacto directo el contacto de

personas o animales con piezas o componentes metálicos que están normalmente en

tensión, tales como conductores sin aislar, terminales de equipos, etc. Estas partes o

componentes se definen como partes activas del circuito eléctrico.

El Reglamento de Baja Tensión, en ITC-BT-01 lo define como “Contacto de

personas o animales con partes activas de los materiales y equipos”.

129


Se entiende por contacto indirecto el contacto con piezas o componentes

metálicos que normalmente no están en tensión, pero que podrían pasar a estarlo

accidentalmente debido a una falta o a un fallo de aislamiento.

El Reglamento de Baja Tensión, en ITC-BT-01 lo define como “Contacto de

personas o animales domésticos con partes que se han puesto bajo tensión como

resultado de un fallo de aislamiento”.

El Reglamento de Baja Tensión en su instrucción ITC-BT-24 nos indica que la

protección contra los choques eléctricos para contactos directos e indirectos a la vez se

realiza mediante la utilización de muy baja tensión de seguridad MBTS.

130


2.4. Protección contra contactos directos

Las medidas de protección contra contactos directos tratan de prevenir los

contactos peligrosos de las personas con las partes activas, basándose en los siguientes

principios:

- Disposición que impida que una corriente atraviese el cuerpo humano.

- Limitación de la corriente que pueda atravesar el cuerpo humano a una

intensidad inferior a la fisiopatológicamente peligrosa.

Para considerar satisfecha la protección contra los contactos directos, se tomará

una de las medidas siguientes:

- Protección por aislamiento de las partes activas.

- Protección por medio de barreras o envolventes.

- Protección por medio de obstáculos.

- Protección por puesta fuera de alcance por alejamiento.

- Protección complementaria por dispositivos de corriente diferencial

residual.

Las prescripciones referentes a este tipo de protección están contempladas en la

ITC-BT-24 del actual Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, y en el artículo 51 de

la OGHST. La UNE 20.460-4-41 amplia la protección contra contactos directos,

mediante el uso de dispositivos de corriente diferencial - residual, es decir, interruptores

diferenciales de alta sensibilidad “≤ 30 mA” (se entiende como medida

complementaria).

Protección por aislamiento de las partes activas

Las partes activas deberán estar recubiertas de un aislamiento que no pueda ser

eliminado más que destruyéndolo.

Las pinturas, barnices, lacas y productos similares no serán considerados como

aislamiento satisfactorio a estos efectos (ref. REBT).

El artículo 51 de la OGHST (Organismo General de Seguridad e Higiene en el

Trabajo) indica que: “Se recubrirán las partes activas con aislamiento apropiado, que

conserven sus propiedades indefinidamente...”.

Este sistema de protección es el generalmente empleado en conductores

eléctricos, recomendándose para los portátiles (cubierta exterior de goma o neopreno).

131


Protección por medio de barreras o envolventes

Las partes activas deben estar situadas en el interior de las envolventes o detrás

de las barreras. Las barreras o envolventes deben fijarse de manera segura y ser de una

robustez y durabilidad suficientes para mantener los grados de separación exigidos.

Protección por medio de obstáculos

Consiste en la interposición de pantallas, barreras, etc. que impidan todo

contacto accidental con las partes activas de la instalación. Los obstáculos de protección

deben estar fijados de forma segura y resistir a los esfuerzos mecánicos usuales que

pueden presentarse en su funcionamiento habitual.

Si los obstáculos son metálicos y deben considerarse como masas, se aplicará

una de las medidas de protección contra los contactos indirectos (puestas a tierra), que

veremos posteriormente.

La norma UNE 20.460-4-41 y la CEI 364 refieren una clasificación en función

del índice de protección IP.

Los obstáculos están destinados a impedir los contactos fortuitos con las partes

activas, pero no los contactos voluntarios por una tentativa deliberada de salvar el

obstáculo.

Protección por puesta fuera de alcance por alejamiento

Esta medida no garantiza una protección completa y su aplicación se limita, en

la práctica, los locales de servicio eléctrico sólo accesibles al personal autorizado. La

puesta fuera de alcance por alejamiento está destinada solamente a impedir los contactos

fortuitos con las partes activas.

Las partes accesibles simultáneamente que se encuentran a tensiones diferentes

no deben encontrarse dentro del volumen de accesibilidad, que se define como el

situado alrededor de los emplazamientos en los que pueden permanecer o circular

personas, y cuyos límites no pueden ser alcanzados por una mano sin medios auxiliares.

Protección complementaria por dispositivos de corriente diferencial residual

Esta medida de protección está destinada solamente a complementar otras

medidas de protección contra los contactos directos.

El empleo de dispositivos de corriente diferencial residual, cuyo valor de

corriente diferencial nominal de funcionamiento es inferior o igual a 30 mA, se

reconoce como medida de protección complementaria en caso de fallo de otra medida

de protección contra los contactos directos o, en su caso, por imprudencia de los

usuarios.

132


2.5. Protección contra contactos indirectos

Esta protección se consigue mediante la aplicación de algunas de las medidas

siguientes:

Protección por corte automático de la alimentación

El corte automático de la alimentación después de la aparición de un fallo está

destinado a impedir que una tensión de contacto de valor suficiente se mantenga durante

un tiempo tal que pueda dar como resultado un riesgo.

Debe existir una adecuada coordinación entre el esquema de conexiones a tierra

de la instalación y las características de los dispositivos de protección.

La tensión de contacto límite convencional es igual a 50 V, valor eficaz en

corriente alterna, en condiciones normales. Pueden elegirse otras de valor inferior (24

V, etc.).

Se describen a continuación aquellos aspectos más significativos que deben

reunir los sistemas de protección en función de los distintos esquemas de conexión de la

instalación.

• Esquemas TT

Todas las masas de los equipos eléctricos protegidos por un mismo dispositivo

deben ser interconectadas y unidas por un conductor de protección a una misma toma de

tierra.

El punto neutro de cada generador o transformador, o, si no existe, un conductor

de fase de cada generador o transformador , debe ponerse a tierra.

Se cumplirá la siguiente condición:

UIRaA<×

donde:

RA Es la suma de las resistencias de la toma de tierra y de los conductores de

protección de las masas.

Ia Es la corriente que asegura el funcionamiento automático del dispositivo de

protección. Cuando el dispositivo de protección es un dispositivo de

corriente diferencial-residual es la corriente diferencial-residual asignada.

U Es la tensión de contacto límite convencional (50, 24 V u otras, según los

casos).

133


En el esquema TT, se utilizan los dispositivos de protección siguientes:

- Dispositivos de protección de corriente diferencial residual.

- Dispositivos de protección de máxima corriente, tales como fusibles,

interruptores automáticos. Estos dispositivos solamente son aplicables

cuando la resistencia RA tiene un valor muy bajo.

• Esquemas TN

Las características de los dispositivos de protección se eligen de manera que, si

se produce en un lugar cualquiera un fallo, de impedancia despreciable, entre un

conductor de fase y el conductor de protección o una masa, el corte automático se

efectúe en un tiempo igual, como máximo, al especificado (0,4 s para 230 V, 0,2 s para

400 V y 0,1 s para tensiones mayores de 400 V) y se cumpla la condición siguiente:

0aS UIZ <×

donde:

ZS Es la impedancia del bucle de defecto, incluyendo la de la fuentes, la del

conductor activo hasta el punto de defecto y la del conductor de protección,

desde el punto de defecto hasta la fuente.

Ia Es la corriente que asegura el funcionamiento del dispositivo de corte

automático en un tiempo como máximo al especificado (0,4 s para 230 V,

0,2 s para 400 V y 0,1 s para tensiones mayores de 400 V) de protección.

Cuando el dispositivo de protección es un dispositivo de corriente

diferencial-residual es la corriente diferencial-residual asignada.

U0 Es la tensión nominal entre fase y tierra, valor eficaz en corriente alterna.

En el esquema TN, pueden utilizarse los dispositivos de protección siguientes:


interruptores automáticos.


Cuando el conductor neutro y el conductor de protección sean comunes

(esquemas TNC) no podrán utilizarse dispositivos de protección de corriente diferencial

residual.

Con miras a la selectividad pueden instalarse dispositivos de protección de

corriente diferencial residual temporizada (por ejemplo tipo “S”) en serie con

dispositivos de protección de corriente diferencial residual de tipo general.

134


• Esquemas IT

En el esquema IT, la instalación debe estar aislada de tierra o conectada a tierra a

través de una impedancia de valor suficientemente alto.

En caso de que exista un solo defecto a masa o a tierra, la corriente de fallo es de

poca intensidad y no es imperativo el corte. Sin embargo, se deben tomar medidas para

evitar cualquier peligro en caso de aparición de dos fallos simultáneos.

Ningún conductor activo debe conectarse a tierra.

Debe ser satisfecha la condición siguiente:

LdAUIR<×

donde:

RA Es la suma de las resistencias de la toma de tierra y de los conductores de

protección de las masas.

Id Es la corriente de defecto en caso de un primer defecto franco de baja

impedancia entre un conductor de fase y una masa. Este valor tiene en

cuenta las corrientes de fuga y la impedancia global de puesta a tierra de la

instalación eléctrica..

UL Es la tensión de contacto límite convencional (50, 24 V u otras, según los

casos).

En el esquema IT, se utilizan los dispositivos de protección siguientes:

- Controladores permanentes de aislamiento, que deberán activar una señal

acústica o visual.



interruptores automáticos.

Protección por empleo de equipos de la clase II o por aislamiento equivalente

Este sistema de protección consiste en el empleo de equipos que dispongan de

aislamiento doble o reforzado (clase II). UNE 20.460-4-41

El Material de clase II viene definido en el reglamento (ITC-BT-01) como el

material en el cual la protección contra el choque eléctrico no se basa únicamente en el

aislamiento principal, sino que comporta medidas de seguridad complementarias, tales

135


como el doble aislamiento o reforzado. Estas medidas no suponen la utilización de

puesta a tierra para la protección y no dependen de las condiciones de la instalación.

Protección en los locales o emplazamientos no conductores

Esta medida está destinada a impedir, en caso de fallo del aislamiento principal

de las partes activas, el contacto simultáneo con partes que puedan ser puestas a

tensiones diferentes.

En estos locales no debe estar previsto ningún conductor de protección. Se

deben cumplir algunas de las condiciones siguientes:

- Alejamiento respectivo de las masas y de los elementos conductores, así

como de las masas entre sí.

- Interposición de obstáculos eficaces entre las masas o entre las masas y

los elementos conductores.

- Aislamiento o disposición aislada de los elementos conductores.

Protección mediante conexiones equipotenciales locales no conectadas a tierra

Este sistema consiste en unir todas las masas de la instalación entre si, y a los

elementos conductores simultáneamente accesibles, con objeto de evitar que puedan

aparecer diferencias de potencial peligrosas.

La seguridad de esta medida se basa, por tanto, en lograr mediante conexiones

de muy débil resistencia, que tanto las masa como los elementos conductores

interconectados queden al mismo potencial en caso de fallo de aislamiento.

La conexión equipotencial no debe estar conectada a tierra, ni directamente ni a

través de masas o elementos conductores.

Protección por separación eléctrica

Consiste en separar los circuitos de utilización de la fuente de energía mediante

transformadores de seguridad (o de aislamiento) o grupos convertidores (motor -

generador), aislando la tierra de los conductores del circuito de utilización (incluido el

neutro).

136


3. Ensayos




La siguiente figura representa un esquema de principio para el ensayo del

interruptor diferencial.

Con el fin de que no actúen las protecciones propias del laboratorio, en este caso

el interruptor diferencial, construiremos tomas de tierras ficticias mediante resistencias

del propio laboratorio. (Es posible realizar un modelo de tierras con una serie de picas

en un recipiente con tierra, teniendo presente que debe estar aislado de la tierra del

edificio, con el fin de que no actúen las protecciones propias –el interruptor diferencial-

del laboratorio).

En el citado esquema tenemos la fase L1 y el neutro N. A este neutro le

conectamos una resistencia (de unos 2 Ω) que representa la toma de tierra de servicio.

En la salida del diferencial vamos a provocar la derivación conectando una resistencia

entre la fase y la carcasa de la carga. Para esta resistencia que variaremos a lo largo de

la práctica nos puede servir las resistencias formadas por cajas de décadas (de 1 a

10.000 Ω).

137


Para generar la toma de tierra de protección conectaremos una resistencia entre

la masa de la carga y el final de la toma de tierra de servicio, en la que también

podremos utilizar las resistencias de caja de décadas, con el fin de visualizar las

distintas magnitudes ante variaciones de la resistencia de protección Rs.

Las medidas de las distintas magnitudes las haremos con el panel de medidas

número 2 que dispone de dos analizadores de redes (CVM). Estos aparatos utilizados

vienen señalados en la siguiente figura.

Es decir, utilizaremos el analizador de redes 1 (CVM1 -periférico 35-) para

medir las corrientes de la fase y del neutro, mediante las tomas de intensidad de la

primera y de la segunda fase. La tensión de entrada la medimos mediante la primera

bobina de tensión (L1-N) del mismo analizador de redes (CVM1 -periférico 35-).

Para medir la intensidad de fuga y la tensión de defecto se utilizará el analizador

de redes 2 (CVM2 –periférico 36-). Para la medida de la tensión de defecto utilizaremos

la toma de tensión de la primera fase, conectando entre L1 y N. Para la toma de

corriente de fuga, dado que esta va a tener un valor muy pequeño, del orden de

miliamperios, utilizaremos la toma de corriente de la primera fase del analizador, con el

transformador de intensidad con relación 5A/25A, es decir cambiando las entradas por

las salidas, con el fin de que el aparato sea capaz de medir. A este CVM habrá que

configurar la corriente del primario a 1 A (relación 1A/5A, o lo que es lo mismo,

5A/25A).

138






Medidas Eléctricas y seleccionar el esquema Interruptor diferencial con lo que


C.- Obtención de la corriente de disparo del interruptor diferencial

Una vez conectado el circuito, ya podemos medir las distintas magnitudes, con

lo que deberemos accionar el interruptor de Lectura. Se irá disminuyendo la resistencia

de defecto con lo que irá aumentando la corriente de fuga, hasta que actúe (dispare) el

interruptor diferencial.

En este momento, una vez que el interruptor diferencial ha disparado, esta

corriente medida por el programa será nuevamente cero, por lo que iremos a los valores

almacenados para saber la corriente que hizo actuar al dispositivo de protección. Dado

que el programa almacena automáticamente los datos una vez que se ha terminado el

proceso de lectura, simplemente habrá que ir al menú desplegable de Datos

almacenados, como indica la siguiente figura y buscar la fecha en la que se ha hecho el

ensayo.

139


D.- Observar la variación de la tensión de defecto frente a la variación de la resistencia

de tierra de protección.

Con este mismo montaje, deberemos aumentar la resistencia de defecto (para

que no vuelva a desconectar el diferencial, y observar la variación de la tensión de

defecto cuando se disminuye la resistencia de tierra de protección. Téngase en cuenta

que esta tensión de defecto va a constituir la máxima tensión de contacto que puede

alcanzar una persona que toque una masa metálica accesible.

E.- Cálculo de la resistencia entre la tierra de protección y la tierra de servicio.

Una vez que conocemos la tensión de defecto y la intensidad de fuga, es posible

calcular la resistencia eléctrica entre la tierra de protección y la tierra de servicio.

140








y seleccionar el esquema Interruptor diferencial, con lo que aparecerá la siguiente

figura:



Seleccionar alguno de los ficheros correspondientes a prácticas realizadas

anteriormente.

141


C.- Obtención de la corriente de disparo del interruptor diferencial

Mediante la barra deslizante, colocarse al inicio e ir moviendo el cursor hacia la

derecha, observando la variación de la intensidad de fuga, hasta que su valor vuelva a

ser de nuevo cero, señal de que habrá actuado el interruptor diferencial. El valor que

toma la intensidad de fuga antes de desconectar el interruptor diferencial será la

intensidad de disparo Id, y que deberá cumplir la siguiente expresión:

NNIIdIΔΔ≤≤2

1

siendo la sensibilidad del interruptor diferencial. Es decir, a partir de la mitad de la

sensibilidad, el interruptor diferencial ya puede actuar.

NIΔ

D.- Observar la tensión de defecto.

142

Anexo A.-Manual de usuario del programa de Medidas Eléctricas

A Manual de usuario del

programa de Medidas Eléctricas

1. Características generales

2. Funcionamiento del programa

3. Almacenamiento y recuperación de datos

4. Exportar datos

5. Descripción del resto de opciones y controles

143


1. Características generales

Medidas Eléctricas vía ModBUS pretende ser un software de propósito general

para la lectura de datos en aparatos de medida que incorporan módulo de

comunicaciones con protocolo MODBUS.

Al hablar de propósito general entendemos un programa que sirva para la toma

de datos de cualquier práctica de ensayos de medidas eléctricas, en particular las

realizadas en el laboratorio de Máquinas Eléctricas. Con el presente programa podremos

tomar distintas medidas, dependiendo del ensayo que deseemos realizar, incluso es

posible diseñar una pantalla para cada ensayo que se realice sobre las máquinas. Por lo

tanto, el software nos va a permitir modificar la apariencia de la pantalla, el número de

medidas del ensayo, los cálculos necesarios para cada ensayo, y en general, todos

aquellos elementos que aparezcan en el programa.

El programa no sólo tomará las lecturas de los aparatos de medida, sino que va a

permitir su manipulación. Así, es posible, a partir de las lecturas tomadas, calcular otras

nuevas, lo que llamaremos medidas virtuales. Estas operaciones las realizará en cada

instante en el que se miden nuevas variables.

Otra característica incluida en el programa es el almacenamiento de los valores

de las magnitudes. Todos los datos adquiridos son almacenados (de manera automática)

para su posterior tratamiento, por lo que el programa puede ser usado tanto para adquirir

datos, como para el posterior análisis de ellos sin necesidad de estar conectado a los

aparatos de medida.

Los datos que el programa almacena son únicamente las lecturas reales, dado

que las virtuales van a poder ser nuevamente calculadas teniendo aquellas. Esto va a

permitir el modificar las variables virtuales tanto para realizar nuevas medidas como en

el tratamiento posterior, cuando ya se trabaja con los datos almacenados.

IMPORTANTE: El programa puede ser utilizado en modo conectado y en modo

simulación a partir de los ficheros de datos almacenados.

Como característica fundamental, y para que se pueda trabajar con los datos sin

necesidad de disponer de este programa, se incluye la función de Exportar, que pasará

los datos obtenidos de los aparatos de medido a un fichero con formato de hoja de

cálculo.

En las explicaciones del programa se va a utilizar los datos obtenidos en el

ensayo de un motor de inducción y de un alternador síncrono, pero se podrá utilizar para

cualquier ensayo con medidas eléctricas (motores de corriente continua,

transformadores, dinamos, etc.)

144


2. Funcionamiento del programa

Una vez instalado el programa (ver siguientes apartados), se procederá para su

ejecución como en el resto de los programas.

Para iniciar el programa, pulsar con el ratón en Inicio -> Programas ->

Practicas de medida -> Medidas Electricas. Aparecerá la pantalla de la siguiente figura

que constituye el esqueleto de la aplicación.

Lo primero que deberemos hacer es seleccionar un esquema correspondiente a

un ensayo a realizar. (Se puede observar en la parte superior del programa el texto

+++++ Esquema sin seleccionar +++++). Para seleccionar un esquema lo haremos a

partir del menú general, en la opción correspondiente (Seleccionar esquema, del menú

desplegable General).

Esta opción para selección de un esquema de ensayo contiene todos los

esquemas configurados por el usuario. Por defecto aparecerán únicamente dos, pero

mediante los ficheros de configuración es posible añadir más tipos de esquemas (véase,

para más información al respecto, el apartado correspondiente a la configuración del

programa, situado en las páginas siguientes de este texto).

Al seleccionar uno de los esquemas, por ejemplo Motor Asíncrono, tendremos

una pantalla similar a la representada en la figura siguiente.

145


En este pantalla tenemos los siguientes elementos:

- Un control, denominado Lectura, y que accionaremos para comunicar el

programa con los distintos aparatos de medida.

- En la parte superior izquierda tenemos un dibujo con un esquema unifilar del

ensayo a realizar. Este dibujo es un fichero bmp (Asincrono.bmp) situado en

el directorio donde se ha instalado el programa, y que puede ser modificado

a voluntad con programas tales como MSPaint, Corel, etc. De la misma

manera es posible incluir otro tipo de ficheros: jpg y png.

- Una gráfica en la parte inferior donde se representarán cualquiera de las

medidas (tanto reales como virtuales).

- Medidor con dos agujas, que usaremos en este caso para representar la

potencia activa y la potencia reactiva.

- Otros indicadores que explicaremos posteriormente, aparecerán una vez que

se realicen las lecturas de los aparatos de medida.

A continuación, para obtener los datos procedentes de los aparatos de medida se

deberá pulsar la opción Lectura,

Si el control Lectura cambia su color a verde nos indicará comunicación

correcta con los citados aparatos. (En el caso de que este control se ponga de color rojo,

véase los apartados de configuración para ver posibles errores, en páginas posteriores).

Si la comunicación de los aparatos de medida es correcta, tendremos una

pantalla similar a la representada en la siguiente figura:

146


Observe que se han añadido los siguientes elementos:

- Una serie de indicadores esparcidos por la pantalla con las distintas lecturas

(reales como virtuales). Es posible poner hasta treinta de estos indicadores.

- Debajo del medidor de dos agujas, tenemos representado un diagrama

fasorial con las magnitudes tensión e intensidad. Las magnitudes a

representar se pueden modificar, y también se puede añadir otra magnitud al

diagrama.

- A medida que se van adquiriendo datos, sobre la gráfica se van

representando los distintos valores. (Véase en la figura anterior los datos

correspondiente a la potencia activa frente a la reactiva de un motor

asíncrono, que tiene la forma característica del arco del diagrama del

círculo).

En el caso de la gráfica, tanto

en el eje X como en el eje Y,

podremos seleccionar la magnitud que

representaremos en cada eje entre

todas las lecturas realizadas (tanto

reales como virtuales).

IMPORTANTE: El programa se ha usado para adquirir los datos de una práctica de

generación de energía eléctrica, pero puede ser usado para otras aplicaciones de

adquisición de datos.

147


Toda la aplicación se controla desde el menú superior desplegable, que

explicamos brevemente a continuación. Dispone de tres submenús (General, Datos

almacenados y Ayuda).

En el primer submenú

(General) están las opciones para

seleccionar el esquema

correspondiente al ensayo que se va a

realizar. Además, está la opción de

exportar datos que permitirá pasar los

datos a una hoja de cálculo y la de

salida del programa.

Las opciones del segundo

submenú (Datos almacenados)

permitirán trabajar con los datos

almacenados. No estará operativo si

no hay ningún esquema seleccionado.

En el tercer submenú de Ayuda

podremos presentar la pantalla de

presentación del programa con los

datos del mismo, autor, software

utilizado, etc.

Si seleccionamos un esquema diferente, obtendremos otra pantalla (totalmente

configurable), con distintos elementos. Como ejemplo véase la siguiente figura que

representa la pantalla correspondiente a otro esquema titulado Síncrona – motor de cc.

148


Observe que han cambiado tanto la posición como el tamaño de algunos

indicadores, y que en el gráfico permite seleccionar nuevas variables que ahora se

obtienen (Frecuencia, Intensidad de excitación, etc).

3. Almacenamiento y recuperación de datos

De manera automática (sin intervención del usuario), el programa almacena los

datos (en un directorio con el nombre del esquema). Mediante el control de Medidas

Eléctricas situado en Lecturas anteriores, es posible representar los datos anteriores

mientras el programa continúa adquiriendo los datos de los aparatos de medida. Para

ello, al elegir esta opción, aparece a la derecha un control horizontal con flechas para

movernos por los datos anteriores.

Al dejar de adquirir los datos, se crea el citado fichero en el directorio

correspondiente.

IMPORTANTE: Los datos son almacenados en un subdirectorio con el mismo nombre

del esquema seleccionado situado en el directorio de instalación.

Una vez almacenados los datos, y sin necesidad de estar conectado a los aparatos

de medida, es posible analizar el comportamiento de la máquina a partir de los datos

almacenados. Este modo de funcionamiento lo podemos considerar como modo de

simulación.

Para poder recuperar los datos, en el control de lectura seleccionamos en el

menú desplegable Datos almacenados, la opción Ficheros (esta opción no se puede

elegir mientras está adquiriendo datos). Aparece a continuación los ficheros

almacenados en el directorio de almacenamiento, como se puede ver en la siguiente

figura:

149


Una vez seleccionado el fichero, y mediante el control horizontal comentado

anteriormente, se puede visualizar todos los estados ensayados de la máquina.

IMPORTANTE: El programa puede trabajar en modo simulación (sin conexión de

aparatos de medida), a partir de los datos almacenados procedentes de los ensayos.

4. Exportar datos

Mediante la opción Exportar, del menú desplegable General, podemos pasar los

datos en memoria a un fichero con formato de hoja de cálculo.

IMPORTANTE: Para poder exportar los datos, primero deberemos tenerlos en

memoria. Para ello iremos a la opción Lectura (si tenemos los aparatos de medida

conectados) o a la opción Ficheros, si deseamos exportar datos almacenados.

Una vez seleccionada la opción de Exportar, nos preguntará el nombre del

fichero exportado. Es conveniente poner como extensión la de las hojas de cálculo.

Al abrir ese fichero con un programa de hoja de cálculo, nos aparecerán

ordenados cronológicamente todos los datos correspondientes a las lecturas reales.

150


5. Descripción del resto de opciones y controles

A continuación describimos el resto de controles que aparecen en el programa.

Control para limpiar los datos del gráfico XY.

Acerca de… Esta opción situada en el menú desplegable Ayuda

presenta algunos datos sobre el lenguaje utilizado para generar

este programa, el autor, etc. (véase figura siguiente).

151


Control para salir del programa. Presenta una pantalla de

confirmación de salida. También se puede elegir esta opción

desde el menú General.

152

Anexo B.- Instalación y configuración

B Instalación y configuración

1. Instalación del programa de Medidas Eléctricas

2. Configuración del programa de Medidas Eléctricas

2.1. Configuración de las máquinas y los ensayos

2.2. Configuración de lecturas virtuales

2.3. Parámetros generales de comunicación

2.4. Conexiones

3. Configuración de los aparatos de medida

3.1. Conexión de equipos de medida

3.2. Configuración de velocidad y periféricos

4. Protocolo de pruebas de funcionamiento

4.1. Conexión de un solo aparato de medida

4.2. Conexión de varios aparatos de medida (exclusivamente RS485)

153


1. Instalación del programa de Medidas Eléctricas

Los requisitos necesarios para el correcto funcionamiento del programa de

Medidas Eléctricas MODBUS son los siguientes:

- PENTIUM o superior

- 8 Mb de memoria RAM mínima

- Tarjeta gráfica SVGA configurada en 800×600 pixeles

- Windows 95/98 ó NT

Una vez comprobado que el ordenador cumple los requerimientos anteriores,

podemos instalar el programa introduciendo el disco de instalación en la unidad flexible

y seleccionar Setup. Aparecerá la siguiente pantalla, que nos permitirá modificar el

directorio donde se copiarán los programas. (Por defecto C:\Archivos de

Programa\Medidas Eléctricas).

Una vez que tecleamos la opción de Finalizar, se copiarán los ficheros al disco

duro.

154


Posteriormente habrá que instalar el Run-Time Engine de LabVIEW, para poder ejecutar

este programa, como indica la siguiente figura.

Si la instalación se ejecuta correctamente, aparecerá una pantalla indicando:

Medidas Eléctricas: ¡Instalación completa!. Se creará un grupo de programas

(Practicas de medida) con el ejecutable principal (Medidas Eléctricas.EXE).

Para desinstalar la aplicación, deberemos hacerlo desde la opción Agregar o

quitar programas del PANEL DE CONTROL, en el que una vez seleccionado nos

aparecerá la siguiente pantalla:

Eligiendo la opción afirmativa, eliminaremos el programa.

155


2. Configuración del programa de Medidas Eléctricas

IMPORTANTE: Todos los datos de configuración están en ficheros INI, situados en el

directorio donde se instala el programa. La modificación erronea de estos ficheros

puede conducir al funcionamiento incorrecto del programa.

Para modificar la configuración del programa de Medidas Eléctricas,

simplemente habrá que modificar el fichero INI correspondiente, cuyas variables

detallamos a continuación. Como fichero INI, tiene la misma estructura que los ficheros

de configuración de windows con distintas secciones y variables.

La estructura de estos ficheros de configuración está detallada en la siguiente

tabla:

Estructura de los ficheros de configuración

Nombre del programa.ini Fichero donde se detallan todos los programas INI, y

que se especifican más abajo.

Comunicaciones ModBUS.ini Parámetros de comunicación y número de

periféricos.

Aparatos de medida.ini Variables de los aparatos de medida.

Esquemas.ini Nombre de esquemas de ensayo y

conexiones.

Esquemas tipo.ini Esquemas de ensayo tipo, con

magnitudes..

Indicador.ini Indicadores tipo que presentaran los

datos procedentes de los ensayos..

En el fichero de Nivel 1, que coincide con el nombre del programa con la

extensión INI (p. ej. Medidas Electricas.ini) están situados los nombre de todos los

ficheros de configuración. Ver ejemplo a continuación.

[Ficheros]

NumFichero=5

Fichero1="Esquemas.ini"

Fichero2="Esquemas tipo.ini"

Fichero3="Comunicaciones MODBUS.ini"

Fichero4="Aparatos de medida.ini"

Fichero5="Indicador.ini"

156


2.1. Configuración de las máquinas y los ensayos

Como se anunciaba en el apartado de características, este software pretende ser

de propósito general, de tal manera que sea posible realizar cualquiera de los ensayos

correspondientes a las distintas asignaturas de Ingeniería Eléctrica.

Todos los parámetros de configuración referente tanto a las máquinas como a los

ensayos, están en los ficheros Esquemas.ini y Esquemas tipo.ini.

A continuación presentamos el fichero Esquemas.ini donde está identificado el

nombre de las máquinas que se van a ensayar, el tipo de ensayo y la conexión de los

aparatos de medida.

[Maquinas]

NumNombre=10

Nombre1="Carga monofásica (I)"

Nombre2="Carga monofásica (II)"

Nombre3="Carga trifásica"

Nombre4="Transformador monofásico"

Nombre5="Transformador trifásico"

Nombre6="Motor Asíncrono"

Nombre7="Motor Asíncrono - Freno"

Nombre8="Motor Asíncrono - Máquina de cc"

Nombre9="Motor de cc"

Nombre10="Síncrona - Motor de cc"

[Carga monofásica (I)]

Tipo="Medida monofásica"

NumMag=7

Mag1= "(CVMSP-31:00)"

Mag2= "(CVMSP-31:01)"

Mag3= "(CVMSP-31:02)"

Mag4= "(CVMSP-31:03)"

Mag5= "(CVMSP-31:04)"

Mag6= "(CVMSP-31:13)"

Mag7= "(CVMSP-31:09)"

[Carga monofásica (II)]

Tipo="Medida monofásica 2"

NumMag=7

Mag1= "(CVM-35:01)"

Mag2=Mag3= "(CVM-35:03)"

Mag4= "(CVM-35:04)-(CVM-35:05)"

Mag5= "(CVM-35:06)"

Mag6= "(CVM-35:00)"

Mag7= "(CVM-35:25)"…

"(CVM-35:02)"

En la sección Nombre tenemos los nombres de las distintas máquinas o de los

distintos ensayos. Cada uno de los nombres mencionados va a disponer de una sección

independiente donde se indicará el tipo de ensayo (Tipo) y las conexiones con los

aparatos de medida, que comentaremos posteriormente.

La conexión de los aparatos de medida tiene la siguiente sintaxis:

(Tipo de aparato de medida – Numero de periférico : Dirección)

por lo que "(CVM-35:19)" significa que se está leyendo la dirección 19 del

analizador de redes CVM que tiene como número de periférico el 35. Cada magnitud

157


puede ser leída de una sola dirección, o puede ser producto de varias direcciones (véase

en el ejemplo anterior la magnitud Mag4). Aquí solamente se admiten operaciones de

suma, resta, multiplicación y división.

Además de leer las magnitudes de los aparatos de medida, también es posible

adquirir la fecha en la que se producen las lecturas. La fecha se adquiere del propio

ordenador mediante la siguiente sintaxis: Mag4 = “Fecha”. Esta variable adquiere la

fecha en formato LabVIEW, es decir expresa los segundos desde el 1 de Enero de 1904.

En la presentación de este dato en el programa aparecerá el formato de fecha (Dia y

hora). En la exportación a fichero de hoja de cálculo aparecerá el número de segundos

absoluto.

Es muy importante que demos un nombre distinto a cada máquina que deseemos

ensayar, pues todos los datos adquiridos van a ir a parar a directorios identificados por

este nombre. De esta manera, si se trata de ensayar máquinas síncronas, y el laboratorio

dispone de distintas máquinas de este tipo, pondremos como nombres tantos como

máquinas tengamos, aunque los ensayos sean comunes para todas ellas.

La clave Tipo que aparece en todas las secciones correspondientes a los

nombres de las máquinas va a identificar el tipo de ensayo que se va a realizar a las

máquinas eléctricas. Los parámetros correspondientes al tipo de ensayo están en el

fichero Esquemas tipo.ini cuyo contenido detallamos a continuación.

[Tipo] Mag6="Maxímetro" PosY3=115

Numero=10 UniMag6="W" Result4="Texto"

Tipo1="Medida Mag7="Energía" PreInd4="P = "

monofásica" UniMag7="Wh" Indica4= Mag3

Tipo2="Medida PosInd4=" W"

monofásica 2" NumVirtual=1 PosX4=220

Tipo3="Medida Virtual1="Phi" PosY4=137

trifásica" Formula1="Mag8=- Result5="Texto"

Tipo4="Síncrona atan(Mag4/Mag3)*180/pi PreInd5="Q = "

trifásica" (1)" Indica5= Mag4

Tipo5="Asincrona1" UniVir1=" º" PosInd5=" VAr"

Tipo6="Trafos mono" PosX5=220

Tipo7="Trafos tri" NumResult=12 PosY5=152

Tipo8="Motor c.c." Result1="Figura" Result6="Texto"

Tipo9="Asincrona2" Figura1="Carga PreInd6="P maxim =

Tipo10="Asincrona3" monofásica.bmp" "

PosX1=10 Indica6= Mag6

PosY1=49 PosInd6=" W"

[Medida monofásica] Width1=440 PosX6=220

NumMag=7 Height1=407 PosY6=182

Mag1=Vb Result2="Texto" Result7="Texto"

UniMag1=voltios PreInd2="I = " PreInd7="Cos Phi =

Mag2=I Indica2= Mag2 "

UniMag2=amperios PosInd2=" A" Indica7= Mag5

Mag3=P PosX2=15 PosInd7=""

UniMag3=vatios PosY2=150 PosX7=220

Mag4=Q Result3="Texto" PosY7=167

UniMag4=var PreInd3="Vb = " Result8="Texto"

Mag5="Factor de Indica3= Mag1 PreInd8="Phi = "

potencia" PosInd3=" V" Indica8= Mag8

UniMag5="" PosX3=192 PosInd8=" º"

158

Anexo B.- Instalación y configuración T [email protected]

j£

PosX8=540 Formulal="Mag8=- CaptionB9= "Q(VAr)"

PosY8=140 atan(Mag4/Mag3) *180/pi PosX9=250

Result9="Medidor2" (1)" PosY9=215

IndicA9= Mag3 UniVirl=" °" Width9=240

IndicB9= Mag4 Height9=100

CaptionA9= "P (W) " ResultlO="Fasorial"

CaptionB9= "Q(VAr)" NumResult=12 LeyendaA10="Vb"

PosX9=250 Re sultl=" Figura" LeyendaB10="I"

PosY9=215 Figural="Carga LeyendaC10=

Width9=240 monofásica . bmp" ModuloA10=Magl

Height9=100 PosXl=10 ModuloB10=Mag2

ResultlO="Fasorial" PosYl=49 ArgB10=Mag8

LeyendaA10="Vb" Widthl=440 ModuloC10=

LeyendaB10="I" Heightl=407 ArgC10=

LeyendaC10= Result2="Texto" PosX10=478

ModuloA10=Magl PreInd2="I = " PosY10=161

ModuloB10=Mag2 Indica2= Mag2 Widthl0=270

ArgB10=Mag8 PosInd2=" A" Heightl0=266

ModuloC10= PosX2=15 Re sult 11= "Gráfico"

ArgC10= PosY2=150 IndicAll= Mag3

PosX10=478 Result3="Texto" IndicBll= Mag4

PosY10=161 PreInd3="Vb = " CaptionAll= "P (W) "

Widthl0=270 Indica3= Magl CaptionBll=

Heightl0=266 PosInd3=" V" "Q(VAr) "

Resultll="Texto" PosX3=192 PosXll=200

PreIndll="Energía = " PosY3=115 PosYll=310

Indicall= Mag7 Result4="Texto" Widthll=260

PosIndll=" Wh" PreInd4="P = " Heightll=160

PosXll=220 Indica4= Mag3 Resultl2="Texto"

PosYll=197 PosInd4=" W" Prelndl2=""

Re sult 12= "Gráfico" PosX4=220 Indical2= Mag7

IndicA12= Mag3 PosY4=137 PosIndl2=" Hz"

IndicB12= Mag4 Result5="Texto"

CaptionA12= "P (W) " PreInd5="Q = "

CaptionB12= "Q(VAr)" Indica5= Mag4

PosX12=200 PosInd5=" VAr"

PosY12=310 PosX5=220

Widthl2=260 PosY5=152

Heightl2=160 Result6="Texto"

PreInd6="Cos Phi = "

[Medida monofásica 2] Indica6= Mag5

NumMag=7 PosInd6=""

Magl=Vb PosX6=220

UniMagl=voltios PosY6=182

Mag2=I Result7="Texto"

UniMag2=amperios PreInd7="Fecha = "

Mag3=P Indica7= Mag6

UniMag3=vatios PosInd7=""

Mag4=Q PosX7=220

UniMag4=var PosY7=167

Mag5="Factor de Result8="Texto"

potencia" PreInd8="Phi = "

UniMag5="" Indica8= Mag8

Mag6="Fecha" PosInd8=" °"

UniMag6="" PosX8=540

Mag7=" Frecuencia" PosY8=140

UniMag7=" Hertzios" Re sult 9= "Medidor 2"

IndicA9= Mag3

NumVirtual=l IndicB9= Mag4

Virtuall="Phi" CaptionA9= "P (W) "

159

10.- Instalación y configuración

La estructura del fichero es la siguiente: En primer lugar tenemos la sección

Tipo donde se detallan el número de ensayos definido. Es posible definir más tipos de

ensayos con el fin de incorporar nuevas máquinas.

Cada tipo de ensayo va a disponer de una sección particular donde se detallará:

- Número de magnitudes a adquirir

- Variables virtuales a calcular

- Resultados a presentar en la pantalla correspondiente.

En la primera parte se indican las magnitudes a adquirir para llevar a buen

término el ensayo. Se especificará el nombre (Mag) y la unidad (UniMag) de la

magnitud a adquirir. Estas magnitudes deberán coincidir con las leídas de los aparatos

de medida.

En el siguiente apartado se especifican las variables virtuales a calcular, que se

explicarán en los siguientes apartados.

A continuación tenemos un bloque correspondiente a las características

nominales de la máquina (nombre y unidad).

Al final se especificarán los resultados que se presentarán en pantalla en cada

ensayo.

El programa dispone de los siguientes indicadores:

- Indicadores tipo texto en el que se puede presentar resultados

correspondientes a magnitudes leídas o virtuales. Dispondremos de un

máximo de 30 (Texto).

- Medidores con dos agujas para dos posibles lecturas. Dispondremos de un

máximo de 2 (Medidor2).

- Un gráfico para representación de datos, en formato XY, y en el que se

podrán representar cualquiera de las variables (leídas o virtuales) (Gráfico).

- Una figura para representación de un dibujo o esquema que ilustre el ensayo

(Figura).

- Una figura para representación del diagrama fasorial (Fasorial).

Todos los indicadores señalados disponen de parámetros PosX y PosY que

indicarán la posición que ocupan en pantalla tomando como unidad de medida el pixel,

y considerando la esquina superior izquierda como el origen de coordenadas.

Algunos indicadores tienen los parámetros Width y Height que nos indicarán,

respectivamente, los valores de ancho y de altura, es decir, el tamaño del mismo.

Como primera clave, todos los indicadores tienen la palabra Result, que

especifica el tipo de indicador, y que podrá tomar valores de Texto, Medidor2,

Grafico, Figura y Fasorial, y que se corresponden con los explicados anteriormente.

160


El indicador Texto tiene como parámetros PreInd, Indica y PosInd que

especificarán el texto previo, la magnitud a representar y el texto de final,

respectivamente. Todo ello forma un conjunto que se representa en una variable tipo

texto.

El indicador Medidor2 dispone de los parámetros IndicA, IndicB, CaptionA y

CaptionB en los que se especificará respectivamente la magnitud primera a representar,

la magnitud segunda y los textos asociados a dichas magnitudes.

El indicador Gráfico no dispone de parámetros específicos, pues en el se

representarán todas las magnitudes (reales y virtuales).

El indicador Figura tiene como parámetro específico la misma palabra Figura

en donde se indicará el fichero a representar (bmp, jpg o png).

En el indicador Fasorial tenemos los parámetros LeyendaA, LeyendaB y

LeyendaC donde se especifica los textos asociados a las tres líneas que se pueden

representar. También tenemos los parámetros ModuloA, ModuloB y ModuloC en los

que habrá que poner el módulo de las tres magnitudes a representar en el diagrama

fasorial. Por fin tendremos que especificar los argumentos (en grados) de las

magnitudes B y C, dado que la primera se tomará como origen de fases. Esto se

especificará en las claves ArgB y ArgC.

Una vez explicado todos los elementos que pueden aparecer en la pantalla,

vemos que es posible diseñar nuevos ensayos y nuevas pantallas que tomarán la forma

más adecuada a los resultados que deseemos visualizar. Se recomienda tomar como

modelo un ensayo tipo y modificarlo hasta adoptar la forma deseada.

2.2. Configuración de lecturas virtuales

Como se explicó en el apartado de características, el programa permite crear

datos (lecturas virtuales) a partir de operaciones con las medidas reales. El siguiente

ejemplo muestra la sintaxis de una medida virtual:

NumVirtual=1

Virtual1="Phi"

Formula1="Mag7=atan (Mag4/Mag3)* 180/pi(1)

Univir1="º"

donde el 7 de Mag7 es el numero de magnitud siguiente a las reales (6), atan es

el arcotangente, pi(1) es el número PI, pi(2) es igual 2*PI, etc.

En este caso se determina el ángulo ϕ a partir de las lecturas de potencias activa

y reactiva. En la clave Virtual se especifica el nombre de la nueva variable a

determinar. En la clave Formula se detallará la fórmula de las nuevas medidas. Se

comienza con la nueva variable (Mag7 = identifica la nueva magnitud; 7 porque hay 6

medidas reales) y a continuación se expone la fórmula. En la clave Univir se especifica

las unidades de la magnitud.

161


Exponemos a continuación las posibles funciones a usar en las medidas

virtuales.

Funciones para creación de medidas virtuales

abs(x) Devuelve el valor absoluto de x.

acos(x) Calcula el arco coseno de x (en radianes).

acosh(x) Determina el arco coseno hiperbólico de x (en radianes).

asin(x) Determina el arco seno de x (en radianes).

asinh(x) Determina el arco seno hiperbólico de x (en radianes).

atan(x) Determina el arco tangente de x (en radianes).

atanh(x) Determina el arco tangente hiperbólico de x (en radianes).

ci(x) Determina el coseno integral de x.

ceil(x) Redondeo a +Ínfinito

cos(x) Calcula el coseno de x.

cosh(x) Calcula el coseno hiperbólico de x.

cot(x) Calcula la cotangente de x.

csc(x) Calcula la cosecante de x.

exp(x) Calcula el valor de e elevado a la potencia de x.

expm1(x) Calcula e^x - 1

floor(x) Redondeo a –Infinito.

gamma(x) Calcula la función gamma de todos los numeros naturales.

getexp(x) Determina el exponente.

getman(x) Determina la mantisa.

int(x) Redondea al entero más cercano.

ln(x) Logaritmo natural (base e).

log(x) Logaritmo natural (base 10).

log2(x) Logaritmo natural (base 2).

pi(x) Calcula x*PI

rand( ) Numero aleatorio entre 0 y 1.

sec(x) Calcula la secante de x.

si(x) Calcula el seno integral de x.

sign(x) Devuelve 1 si el numero es mayor que 0,-1 si es menor que 0 y 0 si el

numero es igual a 0.

sin(x) Calcula el seno de x en radianes.

sinc(x) Calcula el seno de x (en radianes) dividido por x.

sinh(x) Calcula el seno hiperbólico de x (en radianes).

spike(x) Devuelve 1si0≤x≤1;0 para el resto.

sqrt(x) Calcula la raiz cuadrada de x.

step(x) Devuelve 1 si x >0 y 0 en el resto.

tan(x) Calcula la tangente de x (en radianes).

tanh(x) Calcula la tangente hiperbólica de x (en radianes).

162


2.3. Parámetros generales de comunicación

Los datos generales de comunicaciones están en el fichero Comunicaciones

ModBUS.ini. Véase a continuación un ejemplo de las variables de comunicación:

[Comunicacion]

Puerto="1"

Velocidad=9600

Frecuencia=1000Timeout=3000

En este fichero los parámetros referentes a la comunicación.

IMPORTANTE: Si el puerto de comunicaciones es simple RS232 solamente podremos

conectar un solo aparato y por tanto realizar una sola lectura. Si usamos un conversor

RS485 podremos conectar hasta 32 aparatos en paralelo usando un número de periférico

distinto para cada aparato de medida.

Cada aparato de medida tiene asociado un número de periférico y un tipo de

aparato de medida. Los números de los periféricos no tienen porqué ser correlativos,

pero es fundamental que coincidan con los especificados en los propios aparatos de

medida (lo veremos posteriormente, en los siguientes apartados).

IMPORTANTE: El número de periférico y la velocidad deberán ser configurados en

cada uno de los aparatos de medida.

Finalmente, cada tipo de aparato deberá ser configurado con el número de

“words” a leer, la dirección inicial, y para cada una de las palabras (words), deberemos

indicar el nombre (DirecciónX), la constante de multiplicación (ConstaMULX), la

constante suma (ConstaSUMX) y su unidad (UnidadX). Estos parámetros están en el

fichero Aparatos de medida.ini.

Observe, a continuación, el ejemplo de dos tipos de aparatos de medida:DH96C

y CVM.

[DH96C]

Numero = 1

Dirinicial = 1

Direccion1 = V1

ConstaMUL1 = 1,000000E+0

ConstaSUM1 = 0,000000E+0

Unidad1 = Voltios

[CVM]

Numero = 26

Dirinicial = 0

Direccion0 = Fecha



Unidad0 =

Direccion1 = V1



163


Unidad1 = Voltios

Direccion2 = I1

ConstaMUL2 = 1,000000E-3


Unidad2 = Amperios

Direccion3 = P1



Unidad3 = Vatios

...

ConstaMUL24ConstaSUM24

Unidad24 =

Direccion25

ConstaMUL25ConstaSUM25Unidad25 =

= 1,000000E-2

= 0,000000E+0

= Frecuencia

= 1,000000E-1

= 0,000000E+0

Hertzios

Cada vez que se realiza una lectura, el programa la multiplica por la constante de

multiplicación y la suma a la constante de suma, para posteriormente ser almacenada en

el fichero correspondiente.

Si se desea añadir otro tipo de aparato de medida, éste deberá tener la misma

estructura que los tipos expuestos anteriormente.

2.4. Conexiones

En este apartado trataremos los parámetros de configuración correspondientes

alas conexiones en los distintos esquemas de ensayo de las máquinas eléctricas.

Los parámetros fundamentales están,

Esquemas.ini, y que detallamos a continuación:

como ya vimos, en el fichero

[Maquinas]

NumNombre=10

Nombre1="Carga monofásica (I)"

Nombre2="Carga monofásica (II)"

Nombre3="Carga trifásica"

Nombre4="Transformador monofásico"

Nombre5="Transformador trifásico"

Nombre6="Motor Asíncrono"

Nombre7="Motor Asíncrono - Freno"

Nombre8="Motor Asíncrono - Máquina de cc"

Nombre9="Motor de cc"

Nombre10="Síncrona - Motor de cc"

[Carga monofásica (I)]

Tipo="Medida monofásica"

NumMag=7

Mag1= "(CVMSP-31:00)"

Mag2= "(CVMSP-31:01)"

Mag3= "(CVMSP-31:02)"

Mag4= "(CVMSP-31:03)"

Mag5= "(CVMSP-31:04)"

Mag6= "(CVMSP-31:13)"

Mag7= "(CVMSP-31:09)"

[Carga monofásica (II)]

Tipo="Medida monofásica 2"

NumMag=7

164


Mag1= "(CVM-35:01)"

Mag2= "(CVM-35:02)"

Mag3= "(CVM-35:03)"

Mag4= "(CVM-35:04)-(CVM-35:05)"

Mag5= "(CVM-35:06)"

Mag6= "(CVM-35:00)"

Mag7= "(CVM-35:25)"

Este fichero tiene una sección denominada Máquinas en la que se especifica el

nombre de las distintas máquinas que se van a ensayar. A su vez, cada nombre de

máquina dispone de una sección aparte donde se indica el tipo de ensayo a realizar y las

conexiones con los aparatos de medida.

Se recuerda que la primera variable de la sección correspondiente al nombre de

la máquina es la variable Tipo, que indica el nombre de ensayo que se va a realizar a

dicha máquina. A continuación se detallan el número de magnitudes a determinar y la

conexión con los aparatos de medida.

La conexión de los aparatos de medida tiene la siguiente sintaxis:

(Tipo de aparato de medida – Numero de periférico : Dirección)

por lo que "(CVM-35:19)" significa que se está leyendo la dirección 19 del

analizador de redes CVM que tiene como número de periférico el 35. Cada magnitud

puede ser leída de una sola dirección, o puede ser producto de varias direcciones (véase

en el ejemplo anterior la magnitud Mag4). Aquí solamente se admiten operaciones de

suma, resta, multiplicación y división.

Todos los datos correspondientes al tipo de ensayo (número de magnitudes

necesarias, etc.) están en el fichero Esquemas tipo.ini.

165


3. Configuración de los aparatos de medida

A continuación se exponen algunas normas a tener en cuenta para el buen

funcionamiento de las comunicaciones con los aparatos de medida.

Las conexiones a los aparatos de medida se realiza mediante el puerto serie. Es

posible hacerlo mediante el puerto RS232, en cuyo caso solamente podremos conectar

un aparato de medida.

Para poder conectar más de un aparato de medida, usaremos las comunicaciones

serie RS485. Por no disponer el ordenador de un puerto serie RS485 deberemos usar

una tarjeta serie RS485 ó un conversor RS232/RS485.

IMPORTANTE: Con el mismo programa podemos conectar aparatos de medida con

puerto serie RS232 (un solo aparato) o puerto RS485 (varios aparatos).

3.1. Conexión de equipos de medida

Para la conexión RS485 todos los aparatos de medida deberán ir conectados en

paralelo (los terminales positivos unidos entre si al terminal positivo del ordenador, los

terminales negativos unidos entre sí al terminal negativo del ordenador y también

unidos los terminales de masa al terminal masa del ordenador).

Para la conexión RS232 el único aparato de medida deberá ir conectado al

ordenador de forma cruzada (el terminal positivo del aparato al terminal negativo del

ordenador, el terminal negativo unido al terminal positivo del ordenador y el terminal de

masa unido al terminal masa del ordenador).

3.2. Configuración de velocidad y periféricos

Para el correcto funcionamiento todos los equipos conectados al puerto deben

ser configurados a la misma velocidad, que deberá ser igual a la que fijamos en el

fichero de configuración del programa (fichero Comunicaciones ModBUS.ini). La

paridad de las comunicaciones debemos configurarla Sin paridad.

El protocolo de comunicaciones debe ser configurado como MODBUS.

Cada aparato de medida debe ser configurado con un número de periférico

distinto, y que deberá coincidir con el fijado en el fichero de configuración del

programa (Comunicaciones ModBUS.ini). Los números de periférico no tienen por

qué ser correlativos. Para realizar esta configuración se deberá consultar el manual de

instrucciones de cada aparato de medida.

166


4. Protocolo de pruebas de funcionamiento

Con el fin de comprobar el correcto funcionamiento del programa junto con los

aparatos de medida y depurar posibles errores se incluye un protocolo de pruebas.

4.1. Conexión de un solo aparato de medida

En primer lugar se conectará un solo aparato de medida según las instrucciones

dadas en el apartado anterior (en puertos RS485 conexión en paralelo y en RS232

conexión cruzada).

En el programa se deberá modificar el número de lecturas del fichero

Esquemas.ini. A continuación se muestra un ejemplo de este fichero para realizar una

sola lectura de un analizador de redes CVM:

En el ensayo Motor Asíncrono modificaremos las conexiones. Esta sección

tenía los siguientes valores:

[Motor Asíncrono]

Tipo="Asincrona1"

NumMag=6

Mag1= "(CVM-35:19)"

Mag2= "(CVM-35:20)"

Mag3= "(CVM-35:21)"

Mag4= "(CVM-35:22) -

Mag5= "(DH96A2-22:1)"

Mag6= "(CVM-35:0)"

(CVM-35:23)"

Escribiremos estos otros con el fin de que solamente lea un aparato de medida:

[Motor Asíncrono]

Tipo="Asincrona1"

NumMag=6

Mag1= "(CVM-35:19)"

Mag2= "(CVM-35:20)"

Mag3= "(CVM-35:21)"

Mag4= "(CVM-35:22) - (CVM-35:23)"

Mag5= "(CVM-35:20)"

Mag6= "(CVM-35:0)"

Si el único aparato conectado es otro (p.ej. un DH96A2), el fichero debería

modificarse de la siguiente manera:

[Motor Asíncrono]

Tipo="Asincrona1"

NumMag=6

Mag1= "(DH96A2-22:1)"

Mag2= "(DH96A2-22:1)"

Mag3= "(DH96A2-22:1)"

Mag4= "(DH96A2-22:1)"

Mag5= "(DH96A2-22:1)"

Mag6= "(DH96A2-22:1)"

167


Una vez modificado estos ficheros se deberá comprobar que se produce la

lectura de los datos poniendo en marcha el programa y activando la lectura. Se deberá

comprobar que el control booleano Lectura (cuando está en posición Si) se pone de

color verde indicando que la comunicación es correcta. Si hay problemas de

comunicación, este led se pondrá de color rojo.

Solución de problemas

En caso de que no funcione correctamente, deberemos fijarnos en los aparatos de

medida que suelen llevar algún led de indicación de comunicación, que señalarán si el

aparato recibe datos y si los transmite.

Los datos leídos deben aparecer en los dos indicadores situados encima del

medidor analógico de dos agujas.

Si el aparato no recibe los datos deberemos comprobar que la velocidad del

mismo coincide con la velocidad del programa.

También podemos comprobar que el cable utilizado es el correcto. Si se utiliza

un conector con cable serie RS232, deberemos comprobar que están cruzados los pines

2 y 3 de un conector con el otro conector, que son los utilizados para las

comunicaciones en conectores de 9 pines. El conector RS485 utiliza los pines 1 y 2 para

transmisión de datos y deben ir en paralelo pues se trata de un bus de datos.

Tenga en cuenta que algunos aparatos de medida con tarjeta de conexión RS485

cruzan los cables en su interior, así que no está de más el probar cruzando los dos cables

también en comunicaciones RS485, si todo falla.

Si el aparato de medida, a pesar de recibir los datos, no transmite ninguna

respuesta, deberemos comprobar si el número de periférico configurado en el programa

(fichero Comunicaciones ModBUS.ini) coincide con el número de periférico

configurado en el aparato. También deberemos comprobar que el protocolo de

comunicaciones utilizado es ModBUS y que está configurado así en el equipo de

medida.

En caso de que no se consiga que el programa funcione correctamente, probar

con otros aparatos de medida, para poder descartar problemas en el cable, etc.

Esta prueba deberá hacerse en todos los aparatos de medida que se vayan a

utilizar.

4.2. Conexión de varios aparatos de medida (exclusivamente RS485)

La conexión de varios aparatos de medida sólo la podemos realizar si las tarjetas

de comunicaciones son del tipo RS485. En ningún caso con puerto RS232.

168


IMPORTANTE: Esta prueba solamente se deberá realizar si se ha superado con éxito la

prueba anterior y se han solucionado los problemas.

La prueba consiste en conectar físicamente en paralelo varios aparatos de

medida. Modificaremos el fichero de configuración Esquemas.ini para realizar varias

lecturas. Por ejemplo, a continuación presentamos el texto en el caso de que se quiera

realizar la lectura de un CVM y un DH96C:

[Motor Asíncrono]

Tipo="Asincrona1"

NumMag=6

Mag1= "(CVM-35:19)"

Mag2= "(CVM-35:20)"

Mag3= "(CVM-35:21)"

Mag4= "(CVM-35:22) - (CVM-35:23)"

Mag5= "(DH96C-21:1)"

Mag6= "(CVM-35:0)"

Se deberá comprobar el perfecto funcionamiento, es decir, que el control de

lectura se pone de color verde, y que los datos de lectura aparecen en los indicadores en

forma de menú desplegable situado encima del indicador analógico de dos agujas.

En caso de que no funcione, deberemos comprobar las conexiones entre

aparatos, y asegurarnos de que no hemos asignado el mismo número de periférico a dos

aparatos de medida.

Igual que en el caso anterior, no está de más el probar cruzando los dos cables

también en comunicaciones RS485, si todo falla, dado que algunos aparatos de medida

con tarjeta de conexión RS485 cruzan los cables en su interior.

Nada más queda indicar que las comunicaciones industriales es un asunto que no

está del todo resuelto, así que no se extrañe de que no funciona a la primera. El secreto

está en no desistir al principio (y preguntar a un experto).

169


170

Anexo C.-Aparatos de medida ModBUS

C Aparatos de medida ModBUS

1. Características de los aparatos de medida

2. Panel de medidas

2.1. Descripción general del panel de medidas

2.2. Descripción de los aparatos de medida y accesorios

171


1. Características de los aparatos de medida

Las características que deben cumplir los aparatos de medida para poder ser

conectados al software de medidas eléctricas son las siguientes:

- Disponer de puerto serie RS 485.

- Permitir el protocolo de comunicaciones ModBUS.

Para poder conectar todos los aparatos de medida al mismo puerto de

comunicaciones, es necesario que este puerto sea RS485, ya que el puerto serie normal

que viene en todos los ordenadores (RS232) no permite más que la conexión de un solo

aparato. Es por esto que necesitaremos un conversor de puerto o una tarjeta de

ordenador con puerto RS485.

IMPORTANTE: Todos los aparatos de medida utilizados para conectar con el software

de Medidas Eléctricas deben tener puerto serie RS485 con protocolo ModBUS.

Con puerto RS485 es posible conectar varios aparatos en paralelo con el fin de

tomar todas las lecturas por el mismo puerto. A esta forma de conexión se la denomina

BUS. Por tanto, en cuanto a los terminales de comunicaciones, éstos deben ir en

paralelo al mismo puerto RS485.

Dado que todos los aparatos de medida están conectados al mismo puerto, es

necesario identificar cada aparato con un número, denominado número de periférico.

Todos los equipos están configurados con la misma velocidad de transmisión,

paridad y bit de datos. Estos valores pueden ser cambiados a voluntad siempre que se

haga a todos los aparatos de medida conectados.

IMPORTANTE: Con puerto RS485 es posible conectar varios aparatos en paralelo con

el fin de tomar todas las lecturas por el mismo puerto. A esta forma de conexión se la

denomina BUS.

En los siguientes apartados se va a explicar el panel de medidas diseñado para el

laboratorio de Máquinas Eléctricas de la Escuela Universitaria Politécnica de la

Universidad de Valladolid para realizar todos los ensayos. Se han utilizado aparatos de

medida de la casa Circutor©, pero es posible hacerlo con equipamiento distinto.

172


2. Panel de medidas

2.1. Descripción general del panel de medidas

En este apartado vamos a describir los distintos aparatos que constituyen la

plataforma de medidas para hacer las distintas prácticas de laboratorio. Todos los

aparatos del panel de medida van a poder conectarse al software preparado al efecto

para la lectura de sus medidas vía ordenador.

IMPORTANTE: Para el funcionamiento de los aparatos de medida, no es necesario que

estén conectados al ordenador, ya que todos ellos disponen de pantalla de visualización

donde podremos ver las lecturas.

Se dispone de dos paneles de medida, que tienen más o menos los mismos

aparatos de medida. La siguiente figura representa un esquema del primer panel de

medidas.

La siguiente figura representa un esquema del segundo panel de medidas:

173


Todos los aparatos de medida van a disponer terminales de comunicaciones

RS485 (no accesibles en el panel) que van a permitir conectar todos los aparatos de

medida en paralelo (respecto a estos terminales) formando un bus de datos.

IMPORTANTE: Con puerto RS485 es posible conectar varios aparatos en paralelo con

el fin de tomar todas las lecturas por el mismo puerto. A esta forma de conexión se la

denomina BUS.

Dado que todos los aparatos de medida están conectados al mismo puerto, es

necesario identificar cada aparato con un número, lo que se conoce como periférico, y

que está detallado en cada uno de los aparatos de la figura anterior.

Todos los equipos están configurados con la misma velocidad de transmisión,

paridad y bit de datos. Estos valores pueden ser cambiado sin problemas, pero debe

hacerse a todos los aparatos conectados.

A continuación detallamos cada uno de los aparatos. En la siguiente figura está

indicada la función de cada uno de los aparatos de medida, para el primer panel.

174


Como se puede ver, se dispone de cuatro medidores de tensión/intensidad, dos

de corriente alterna y dos de corriente continua, situados en la parte superior. También

tenemos un analizador de red monofásico, que van a medir todas las magnitudes

eléctricas monofásicas (tensión, intensidad, potencias activa, reactiva y aparente,

energías, factor de potencia, etc.) de una red monofásica. Además, tenemos un

analizador de redes trifásico, donde también se miden todas las magnitudes citadas, pero

para cada una de las tres fases de un sistema trifásico. En la parte central se dispone de

un analizador de redes de corriente continua, es decir, mide tensión, intensidad, potencia

y energía en corriente continua Para la medida de intensidad de este último aparato

dispone de un shunt de 25 Amperios, por lo que este aparatos se utilizará para la medida

de las máquinas de corriente continua de cierta potencia.

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figura:

Para el segundo panel, las distintas funciones están detalladas en la siguiente

Como se puede ver, se dispone de cuatro medidores de tensión/intensidad, dos

de corriente alterna y dos de corriente continua, situados en la parte superior. En la parte

central tenemos dos analizadores de redes trifásicos y uno de corriente continua. En la

parte inferior derecha se dispone de un analizador de red monofásico.

Una vez visto de manera general el panel de medidas, pasamos a detallar cada

uno de los elementos que componen el citado panel.

176


2.2. Descripción de los aparatos de medida y accesorios

Explicaremos con detalle cada uno de los distintos aparatos de medida y

accesorios que aparecen en el panel.

Medidor digital de tensión/intensidad de

corriente alterna DH96A: Mide tensión o intensidad

(nunca las dos magnitudes simultáneamente) dependiendo

de cómo esté configurado.

En la parte superior tenemos los conectores de las

comunicaciones y en la parte inferior tenemos los

conectores para la toma de tensión (V y C), y para la toma

de intensidad (I y C). Lógicamente, el terminal C es el

terminal común.

Permite medir tensiones hasta 500 voltios e

intensidades hasta 5 amperios.

Estos aparatos están numerados como periféricos 21

y 22, aunque esto puede ser modificado.

Medidor digital de tensión/intensidad de

corriente continua DH96D: Mide tensión o intensidad

(nunca las dos magnitudes) dependiendo de cómo esté

configurado.

Dispone de los mismos conectores que el medidor

de corriente alterna.

177


Analizador de red de corriente continua: Aparato

de medida para medida simultánea de tensión, corriente,

potencia y energía en corriente continua. Para la medida

de intensidad es obligatorio conectar un shunt. En el panel

está conectado un shunt de 25 A.

Dispone de tres tomas de tensión correspondientes a

los fondos de escala (o alcance) de 450, 300 y 150 voltios,

de las que sólo habrá que conectar una de ellas.

Analizadores de red trifásicos

CVM: Aparato de medida para medida

simultánea de tensión, corriente, potencias

activa y reactiva, potencia maxímetro,

tasas de armónicos, factor de potencia,

frecuencia y energías de las tres fase de un

sistema trifásico.

Dispone de las tres tomas de tensión

(hasta 500 voltios) y las seis tomas de

intensidad, que obligatoriamente habrá

que pasarlas por transformadores de

intensidad.

De este modelo tenemos los dos tipos

representados en la figura adjunta.

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Analizador de red monofásico CVM-SP: Aparato

de medida con terminales de entrada y de salida que

permiten tomar medidas de circuitos monofásicos de

tensión hasta 230 voltios e intensidad hasta 25 amperios.

Con este equipo obtenemos simultáneamente valores

de tensión, corriente, potencias activa y reactiva, potencia

maxímetro, tasas de armónicos, factor de potencia,

frecuencia y energías.

Estos aparatos no precisan de alimentación,

tomándola del mismo circuito cuyos valores van a medir,

por lo que la tensión deberá siempre estar próxima a

220 voltios.

Este aparato están numerado como periférico 31.

Transformadores de intensidad: Disponemos de

tres transformadores de intensidad con relación 25/5 A

para la conexión de las tomas de intensidad del analizador

de redes CVM trifásico.

Observe que para una conexión más accesible del

analizador, el primario está en la parte inferior y el

secundario en la parte superior.

Convertidor de puerto de comunicaciones

RS232/RS485: Con el fin de poder conectar al ordenador

(puerto RS232) todos los aparatos de medida necesitamos

un puerto que permita la conexión de más aparatos

(puerto RS485), por lo que utilizamos este conversor de

puerto.

Magnetotérmico de protección de la alimentación

de todos los equipos: Este magnetotérmico, situado en la

parte inferior izquierda permite la conexión y protección

de la alimentación de los aparatos de medida y conversor.

Dispone de dos terminales en la parte superior donde

disponemos de la misma tensión de alimentación (220

voltios).

179


180

Bibliografía

Bibliografía

Dynamic simulation of electric machinery : using Matlab/Simulink

Chee-Mun Ong

Prentice Hall, 1998

Electric Circuits and Machines Laboratory with LabVIEW

Nesimi Ertugrul

University of Adelaide, 2000

Manuales de LabVIEW

www.ni.com

Autómatas Programables

Joseph Balcells y Jose Luis Romeral

Marcombo, 1997

Máquinas Eléctricas

Javier Sanz Feito

Prentice Hall, 2002

Máquinas Eléctricas, 5ª ed.

Jesús Fraile Mora

McGraw Hill, 2003

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