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ÍNDICE Página COMPETENCIAS A LAS QUE CONTRIBUYE LA ASIGNATURA...........................4 OBJETIVO DE LA ASIGNATURA.................................................4 1 UNIDAD TEMÁTICA I – MOTORES DE CA Y CD, SERVOMOTORES Y MOTORES A PASOS.4 Resultado del aprendizaje...............................................4 1.1 TEMA 1 – MOTORES DE CA.............................................5 1.1.1 Instrumentos didácticos.......................................26 1.1.2 Instrumentos de evaluación....................................26 1.2 TEMA 2 – MOTORES DE CD............................................27 1.2.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje..........................................................39 1.2.2 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje..........................................................60 1.3 INSTRUMENTOS DIDÁCTICO Y DE EVALUACIÓN SUGERIDOS PARA ASEGURAR EL RESULTADO DE APRENDIZAJE DE LA UNIDAD..................................60 2 UNIDAD TEMÁTICA II – PROCESOS DE CONTROL Y PROTECCIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS EN APLICACIONES INDUSTRIALES..................................61 Resultado del aprendizaje..............................................61 2.1 TEMA 1 – ELEMENTOS DE PROTECCIÓN PARA CORTO CIRCUITO Y SOBRECARGA. 61 2.1.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje..........................................................67 2.2 TEMA 2 – DISPOSITIVOS DE CONTROL DE MOTORES.......................67 2.2.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje..........................................................80 2.3 TEMA 3 – CONTROL DE MOTORES DE CA Y CD............................80 2.4 TEMA 4 – DISPOSITIVOS ARRANQUE A TENSIÓN REDUCIDA.................85 2.4.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje..........................................................88 2.5 TEMA 5 – CONTROL DE MOTORES A PASOS...............................88 2.5.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje..........................................................93 2.6 TEMA 6 – CONTROL DE SERVOMOTORES..................................93 2.6.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje..........................................................99 3 UNIDAD TEMÁTICA III – ELECTRÓNICA DE POTENCIA.......................100 Resultado del aprendizaje.............................................100 3.1 TEMA 1 – TIRISTORES Y DISPOSITIVOS DE CONMUTACIÓN................100

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ÍNDICEPágina

COMPETENCIAS A LAS QUE CONTRIBUYE LA ASIGNATURA..........................................................4

OBJETIVO DE LA ASIGNATURA...........................................................................................................4

1 UNIDAD TEMÁTICA I – MOTORES DE CA Y CD, SERVOMOTORES Y MOTORES A PASOS..4

Resultado del aprendizaje................................................................................................................... 4

1.1 TEMA 1 – MOTORES DE CA..................................................................................................5

1.1.1 Instrumentos didácticos.................................................................................................26

1.1.2 Instrumentos de evaluación...........................................................................................26

1.2 TEMA 2 – MOTORES DE CD................................................................................................27

1.2.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje........................39

1.2.2 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje........................60

1.3 INSTRUMENTOS DIDÁCTICO Y DE EVALUACIÓN SUGERIDOS PARA ASEGURAR EL RESULTADO DE APRENDIZAJE DE LA UNIDAD...........................................................................60

2 UNIDAD TEMÁTICA II – PROCESOS DE CONTROL Y PROTECCIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS EN APLICACIONES INDUSTRIALES...........................................................................61

Resultado del aprendizaje.................................................................................................................61

2.1 TEMA 1 – ELEMENTOS DE PROTECCIÓN PARA CORTO CIRCUITO Y SOBRECARGA.61

2.1.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje........................67

2.2 TEMA 2 – DISPOSITIVOS DE CONTROL DE MOTORES...................................................67

2.2.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje........................80

2.3 TEMA 3 – CONTROL DE MOTORES DE CA Y CD..............................................................80

2.4 TEMA 4 – DISPOSITIVOS ARRANQUE A TENSIÓN REDUCIDA.......................................85

2.4.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje........................88

2.5 TEMA 5 – CONTROL DE MOTORES A PASOS...................................................................88

2.5.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje........................93

2.6 TEMA 6 – CONTROL DE SERVOMOTORES.......................................................................93

2.6.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje........................99

3 UNIDAD TEMÁTICA III – ELECTRÓNICA DE POTENCIA........................................................100

Resultado del aprendizaje...............................................................................................................100

3.1 TEMA 1 – TIRISTORES Y DISPOSITIVOS DE CONMUTACIÓN.......................................100

3.1.1 Instrumentos didácticos...............................................................................................113

3.1.2 Instrumentos de evaluación.........................................................................................113

3.2 TEMA 2 – INTRODUCCIÓN A LAS FUENTES CONMUTADAS.........................................113

3.2.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje......................119

3.3 TEMA 3 – INVERSORES Y SOFTWARE DE SIMULACIÓN...............................................120

3.3.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje......................123

3.4 INSTRUMENTOS DIDÁCTICO Y DE EVALUACIÓN SUGERIDOS PARA ASEGURAR EL RESULTADO DE APRENDIZAJE DE LA UNIDAD.........................................................................123

4 UNIDAD TEMÁTICA IV – VARIADORES DE VELOCIDAD........................................................124

Resultado del aprendizaje...............................................................................................................124

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4.1 TEMA 1 – VARIADORES DE VELOCIDAD PARA MOTORES DE CD...............................124

4.1.1 Instrumentos didácticos...............................................................................................128

4.1.2 Instrumentos de evaluación.........................................................................................128

4.2 TEMA 2 – VARIADORES DE VELOCIDAD PARA MOTORES DE CA...............................129

4.2.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje......................131

5 FUENTES BIBLIOGRÁFICAS....................................................................................................132

5.1 Sugeridas............................................................................................................................ 132

5.2 De apoyo............................................................................................................................. 132

6 Compiladores.............................................................................................................................. 133

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COMPETENCIAS A LAS QUE CONTRIBUYE LA ASIGNATURA.Determinar soluciones, mejoras e innovaciones a través de diseños propuestos para atender las necesidades de automatización y control, considerando los aspectos Mecánicos, Electrónicos, Eléctricos.

Modelar diseños propuestos apoyados por herramientas de diseño y simulación de los sistemas y elementos que intervienen en la automatización y control para definir sus características técnicas.

Evaluar diseño propuesto con base a la normatividad aplicable, su eficiencia y costos para determinar su factibilidad.

Supervisar la instalación, puesta en marcha y operación de sistemas, equipos eléctricos, mecánicos y electrónicos con base en las características especificadas, recursos destinados, procedimientos, condiciones de seguridad y la planeación establecida, para asegurar el cumplimiento y sincronía del diseño y del proyecto.

OBJETIVO DE LA ASIGNATURAEl alumno integrará elementos de electrónica de potencia, de suministro de energía, motores, generadores, variadores de velocidad, elementos de mando y protección para el control de motores eléctricos

1 UNIDAD TEMÁTICA I – MOTORES DE CA Y CD, SERVOMOTORES Y MOTORES A PASOS.

Resultado del aprendizaje.

Elaborará un reporte técnico que incluya: • Requerimientos del sistema • Selección del tipo de motor con respecto a las diversas características de operación • Aplicación industrial y datos técnicos del motor seleccionado para los casos de C.A, C.D y motores a pasos.

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1.1 TEMA 1 – MOTORES DE CA.

Los motores de CA son máquinas eléctricas que convierten energía eléctrica de CA en energía mecánica. El principio de funcionamiento de estas máquinas, consiste en que si un sistema trifásico de corrientes, todas de igual magnitud y desfasadas 120°, fluye en un embobinado trifásico, se producirá un campo magnético giratorio de magnitud constante. El embobinado trifásico consta de tres embobinados separados que se hallan espaciados 120 grados eléctricos.

CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE C.A.

MOTORES SÍNCRONOS

MOTORES DE INDUCCIÓNROTOR JAULA DE ARDILLA

MOTORES MONOFÁSICOS

MOTORES TRIFÁSICOS

ARRANQUE POR CAPACITOR

ARRANQUE POR POLOS SOMBREADOS

MOTORESC.A.

ARRANQUE POR FASE PARTIDA

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Partes principales de un motor eléctrico:Dentro de las características fundamentales de los motores eléctricos, éstos se hallan formados por varios elementos, sin embargo, las partes principales son:El estator, la carcasa, la base, el rotor, la caja de conexiones, las tapas y los cojinetes. No obstante, un motor puede funcionar solo con el estator y el rotor.

EstatorEl estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente. Existen dos tipos de estatores.

a) Estator de polos salientes

b) Estator rasurado

1. Carcaza

2.Tapa anterior

3. Base

4. Flecha

5. Caja de conexiones.

6: Tapa posterior

Polos salientes Ranurado

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RotorEl rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la

conversión de energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos:

a) Rotor ranurado

b) Rotor de polos salientes

c) Rotor jaula de ardilla

CarcasaLa carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material empleado

para su fabricación depende del tipo de motor, de su diseño y su aplicación. Una clasificación muy común es en base a la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) de Estados Unidos de Norteamérica.

Polos salientesRanurado Jaula de ardilla

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Tipo 1  Para propósitos generales

Tipo 2 A prueba de goteos

Tipo 3 Resistente al clima

Tipo 3R Sellado contra la lluvia

Tipo 3S Sellado contra lluvia, granizo y polvo

Tipo 4 Sellado contra el agua y polvo

Tipo 4X Sellado contra agua y resistente a la corrosión

Tipo 5 Sellado contra polvo

Tipo 6 Sumergible

Tipo 6PContra entrada de agua durante sumersiones prolongadas a una profundidad limitada

Tipo 7 (A, B, C o D)*

Locales peligrosos, Clase I - Equipo cuyas interrupciones ocurren en el aire. 

Tipo 8 (A, B, C o D)*

Locales peligrosos, Clase I - Aparatos sumergidos en aceite.

Tipo 9 (E, F o G)* Locales peligrosos, Clase II 

Tipo 10U.S. Bureau of Mines - a prueba de explosiones (para minas de carbón con gases)

Tipo 11Resistente al Acido o a gases corrosivos - sumergido en aceite

Tipo 12Uso industrial. Contra polvo pelusa, fibras y filtraciones de aceite

Tipo 13 A prueba de polvo

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Cojinetes

También conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias del motor. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes pueden dividirse en dos clases generales:

a) Cojinetes de deslizamiento operan el base al principio de la película de aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra del eje y la superficie de apoyo.

Cojinete de deslizamiento

b) Cojinetes de rodamiento se utilizan con preferencia en vez de los cojinetes de deslizamiento por varias razones:

Tienen un menor coeficiente de fricción, especialmente en el arranque.

Son compactos en su diseño

Tienen una alta precisión de operación.

No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante.

Se remplazan fácilmente debido a sus tamaños estándares

Cojinete de rodamiento

MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA (C.A.).

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Operación básica del motor de CA

Un motor de CA tiene dos partes eléctricas básicas: un "estator" y un "rotor", como se muestra en la Figura 3.1. El estator consiste en un grupo de electroimanes individuales dispuestos de una manera tal que formen un cilindro hueco, con un polo de cada cara de los imanes hacia el centro del grupo. El término, "estator" se deriva de la palabra estática.

El rotor consiste en un grupo de electroimanes dispuestos alrededor de un cilindro, con los polos haciendo frente hacia los polos del estator. El rotor, está situado obviamente dentro del estator y montado en el eje del motor. El objetivo de estos componentes del motor es hacer que el rotor gire sobre el eje del motor. Esta rotación ocurrirá debido al fenómeno magnético de que los polos opuestos se atraen y polos iguales se rechazan. Si cambiamos progresivamente la polaridad de los polos del estator de una manera tal que su campo magnético combinado rote, entonces el rotor seguirá girando con el campo magnético del estator.

Figura 3.1. Componentes eléctricos básicos de un motor de CA.

En la Figura 3.2 se muestra como van rotando los campos magnéticos del estator. De acuerdo con la figura, el estator tiene seis polos magnéticos y el rotor tiene dos polos. En el tiempo 1, los polos A-1 del estator y el C-2 son polos Norte y los polos opuestos, A-2 y C-1, son los polos sur. El polo S del rotor es atraído por los dos polos N del estator y el polo N del rotor es atraído por los dos polos del sur del estator.

En el tiempo 2, la polaridad de los polos del estator se cambian de modo que ahora el C-2 y B-1 son los polos N y C-1 y B-2 son los polos S. Entonces el rotor se ve forzado a rotar 60 grados para alinearse con los polos del estator según lo demostrado en la figura.

En el tiempo 3, B-1 y A-2 son los polos N. En el tiempo 4, A-2 y C-1 son los polos N. Mientras que se realiza cada cambio, los polos del rotor son atraídos por los polos opuestos en el estator. Así, como el campo magnético del estator rota, el rotor se ve forzado a rotar con él.

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Figura 3.2. Rotación del campo magnético de un motor de CA.

Una forma para producir un campo magnético que rota en el estator de un motor de CA es utilizar una fuente de alimentación trifásica para las bobinas del estator. Se preguntará ¿Qué, es la energía trifásica?.

Para producir un campo magnético que rota en el estator de un motor de CA trifásico, se necesita que las bobinas del estator estén correctamente conectadas a la fuente de alimentación de corriente. La conexión para un estator de 6 polos se muestra en la Figura 3.3. Cada fase de la fuente de alimentación trifásica está conectada con los polos opuestos y las bobinas asociadas se bobinan en la misma dirección.

Figura 3.3. Método para conectar energía trifásica con un estator de seis polos.

La Figura 3.4. muestra cómo se produce el campo magnético que rota. En el tiempo 1, el flujo actual en los polos de la fase "A" es positivo y el polo A-1 es N. El flujo actual en los polos de la fase "C" es negativo, haciendo C-2 un polo N y C-1 el polo S. No hay flujo actual en la fase "B", así que estos polos no se magnetizan. En el tiempo 2, las fases han cambiado de puesto 60 grados, haciendo los postes C-2 y B-1 N y C-1 y B-2 ambos polos S. Así, el flujo magnético produce el cambio de polaridad en las bobinas provocando que los polos resultantes N y S se mueven a la derecha alrededor del estator, lo que resulta en una rotación del campo magnético. Por lo tanto, el rotor actúa como un imán de barra arrastrado por el campo magnético que rota.

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Figura 3.4. Cómo la energía trifásica produce un campo magnético que rota.

Hasta este punto poco se ha dicho acerca del rotor. En los ejemplos anteriores, se ha asumido que los polos del rotor son bobinas como los polos del estator provistos con CD para crear polos fijos en polaridad. Así es exactamente cómo funciona un motor de CA síncrono. Sin embargo, la mayoría de los motores de CA que son utilizados actualmente no son motores síncronos. En lugar de eso, los motores de inducción son los que prevalecen en la industria. ¿Cuál es la diferencia del motor de inducción? La gran diferencia es la manera en la que se provee la corriente al rotor. Ésta no es ninguna fuente de alimentación externa, en lugar de eso, se utiliza la técnica de inducción, la cual es un fenómeno natural que ocurre cuando un conductor (las barras de aluminio en el caso de un rotor, véase la Figura 3.5) se mueve a través de un campo magnético existente o cuando un campo magnético se pasa a un conductor.

En cualquier caso, el movimiento relativo provoca que la corriente eléctrica circule por el conductor. Esto se refiere al flujo actual "inducido". En otras palabras, en un motor de inducción el flujo actual del rotor no es causado por cualquier conexión directa de los conductores a una fuente de voltaje, sino por la influencia de los conductores del rotor que provocan el corte de las líneas del flujo producidas por los campos magnéticos del estator.

La corriente inducida que se produce en el rotor da lugar a un campo magnético alrededor de los conductores del rotor según lo mostrado en la Figura 3.6. Este campo magnético alrededor de cada conductor del rotor hará que cada conductor actúe como un imán permanente. Como el campo magnético del estator alterna debido al efecto de suministro de CA trifásica, el campo magnético inducido del rotor será atraído y seguirá la rotación. El rotor está conectado con el eje del motor, así que el eje rotará y conducirá la carga de la conexión. Así es como funciona un motor.

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Figura 3.5. Construcción de un rotor del motor de inducción de la CA.

Figura 3.6. Cómo el voltaje se induce en el rotor, dando por resultado flujo actual en los conductores

del rotor.

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MOTOR MONOFÁSICO

Introducción.

La necesidad del motor de inducción monofásico se explica de la siguiente forma: existen muchas instalaciones, tanto industriales como residenciales a las que la compañía eléctrica sólo suministra un servicio de ca monofásico. Además, en todo lugar casi siempre hay necesidad de motores pequeños que trabajen con suministro monofásico para impulsar diversos artefactos tales como máquinas de coser, taladros, aspiradoras, etc.

La mayoría de los motores monofásicos son motores pequeños de caballaje fraccionario (menor a 1 HP). Sin embargo, algunos se fabrican en tamaños normales de 1.5, 2, 3, 5, 7.5 y 10 HP tanto para 115 V como para 230 V en servicio monofásico y aun de 440 V entre los limites de 7.5 a 10 H.P. los tamaños especiales de caballaje integral van desde varios cientos hasta algunos miles de HP en servicio de locomotoras, con motores de serie monofásicos de ca.

Los motores monofásicos de inducción experimentan una grave desventaja. Puesto que sólo hay una fase en el devanado del estator, el campo magnético en un motor monofásico de inducción no rota. En su lugar, primero pulsa con gran intensidad, pero permanece siempre en la misma dirección. Puesto que no hay campo magnético rotacional en el estator, un monofásico de inducción no tiene par de arranque. Es por ello que se emplean diversos métodos para iniciar el giro del rotor y por lo tanto existe una clasificación de los motores monofásicos basada en los métodos particulares de arranque.

Construcción

En cuanto a la construcción del motor monofásico de inducción, hay que señalar que el rotor de cualquier motor monofásico de inducción es intercambiable con algunos polifásicos de jaula de ardilla. No hay conexión física entre el rotor y el estator, y hay un entrehierro uniforme entre ellos.

Debido a que los motores monofásicos de inducción no generan por si solos par de arranque, se tienen dos devanados: el de marque o principal; y el auxiliar o de arranque. Cuya finalidad es producir el giro del rotor.

Tanto el devanado principal como el auxiliar, están distribuidos en ranuras espaciadas uniformemente alrededor del estator; sin embargo, el último se encuentra alojado en ranuras con orientación 90° en el espacio eléctrico con respecto a las del devanado principal.

Teoría del doble campo giratorio

Esta teoría establece que un campo magnético estacionario pulsante se puede transformar en dos campos magnéticos de igual magnitud pero de direcciones opuestas. El motor de inducción responde a cada uno de los campos magnéticos por separado y el par neto en la máquina será de los pares debidos a cada uno de los dos campos magnéticos.

Uno motor de inducción monofásico responde a cada uno de los dos campos magnéticos presentes en él; en consecuencia, el par inducido neto en el motor es la diferencia entre las dos curvas par-velocidad (figura 2.1). nótese que a velocidad cero no hay par neto; por lo tanto, el motor no tiene par de arranque. La característica par- velocidad de la figura no es una descripción muy exacta del par de un motor de inducción monofásico, ya que está formada por la superposición de dos características

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trifásicas; y además ignora el hecho de que ambos campos magnéticos están presentes simultáneamente en el motor monofásico.

Tanto el campo magnético directo como el inverso están presentes en un motor monofásico y ambos son producidos por la misma corriente. Puesto que la corriente que suministra el campo magnético estatórico inverso está limitada a un pequeño valor y que el campo magnético inverso del rotor está a un ángulo muy grande con respecto al campo magnético inverso del estator, el par debido a los campos inversos es muy pequeño cuando el motor opera cerca de la velocidad síncrona.

La figura 2.2 muestra una característica más exacta par-velocidad, además del par neto medio se producen pulsaciones de par a dos veces la frecuencia estatórica y son causadas cuando los campos magnéticos directo e inverso se entrecruzan, dos veces por ciclo.

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Estas pulsaciones aumentan la vibración y hacen que los motores monofásicos de inducción sean más ruidosos que los trifásicos del mismo tamaño.

Clasificación de los motores monofásicos

Tal como se explicó, un motor monofásico de inducción no tiene par de arranque intrínseco. Existen tres técnicas para lograr que uno de los dos campos magnéticos giratorios sea más fuerte que el otro en el motor y, en consecuencia, dar un apoyo inicial en una u otra dirección:

1. Devanados de fase partida2. Devanados por capacitor3. Polos estatóricos sombreados

Motores de fase partida y arranque por resistencia

El devanado de arranque tiene menos vueltas y consiste en alambre de cobre de menor diámetro que el devanado de marcha. Por lo tanto, el devanado de arranque tiene alta resistencia y baja reactancia. A la inversa, el devanado de marcha con más vueltas de alambre más grueso, tiene baja resistencia y alta reactancia; pero debido a su impedancia total menor, la corriente en el devanado de marcha es en general mayor que la correspondiente en el devanado de arranque (figura 2.4 diagrama eléctrico de los dos devanados).

En la figura 2.3b se muestran las relaciones de fase de las corrientes a rotor bloqueado en el instante de arranque. La corriente en el devanado de arranque está retrasada unos 15° con respecto al voltaje de suministro, mientras que la corriente mayor en el devanado de marcha, está retrasada unos 40° con respecto al voltaje monofásico.

En la figura 2.4 se aprecia mejor la función del devanado auxiliar. Debido a que la corriente en el devanado auxiliar adelanta a la corriente del devanado principal, el campo magnético BA alcanza su máximo valor antes que el campo magnético principal BM. Dado que BA llega a su valor pico primero que BM, en el campo magnético hay una rotación neta en sentido opuesto a las manecillas del reloj.

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En otras palabras, el devanado de auxiliar logra que uno de los campos magnéticos estatóricos rotacionales opuestos sea mayor que el otro y provee un par de arranque neto para el motor.

La capacidad del devanado de arranque se basa sólo en trabajo intermitente. Si el interruptor centrífugo se descompone y no puede abrir, por lo general debido a que se pegan los contactos, el calor excesivo que produce el devanado de arranque, de alta resistencia, aumentará de tal manera que la temperatura del estator, que finalmente se quemarán ambos devanados.

Los motores de fase partida de mejor diseño tienen relevadores térmicos interconstruidos, conectados en serie con la terminal de línea, para desconectar el motor del suministro siempre que la temperatura sea muy elevada.

Este tipo de motor es normalmente de caballaje fraccionario y como su rotor es pequeño, tiene poca inercia hasta cuando está conectado con la carga. Sin embargo, las principales desventajas del motor son 1) su bajo par de arranque y 2) que, cuando tiene mucha carga se produce un par elíptico o pulsante que hace que el rotor emita ruidos preocupantes. Por este motivo, el motor de fase partida se usa en aparatos electrodomésticos para impulsar cargas que producen ruido, como por ejemplo, quemadores de aceite, pulidoras, lavadoras de ropa, lavadoras de vajillas, ventiladores, sopladores de aire, compresores de aire y bombas de agua pequeñas.

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El control de la velocidad de estos motores es relativamente difícil porque la velocidad síncrona del flujo rotatorio del estator queda determinada por la frecuencia y el número de polos desarrollados en el devanado de marcha del estator

Se debe hacer notar que todos los cambios de velocidad se deben llevar a cabo en límites mayores al que trabaja el interruptor centrífugo y por lo tanto menores que la velocidad síncrona obteniendo un rango muy limitado para el control de la velocidad.

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Motor de arranque por capacitor.

Como medio de mejorar el par relativamente bajo del motor de fase partida se agrega un capacitor al devanado auxiliar para producir una relación casi real de 90° entre las corrientes de los devanados de arranque y de marcha, en lugar de aproximadamente 25°, elevando el par de arranque a los límites normales del par nominal. La figura 2.5ª muestra el diagrama de conexiones del motor de arranque por capacitor, cuya diferencia implica la adición del capacitor en el devanado auxiliar, se puede advertir también a partir de la figura 2.6 el mejoramiento del torque de partida debido a la inclusión del capacitor.

Debido a su mayor par de arranque, que es de 3.5 a 4.5 veces el par nominal, y a su reducida corriente de arranque para la misma potencia al instante del arranque, el motor de arranque por capacitor se fabrica en tamaños de caballaje integral de 7.5 HP.

Los pares del motor de fase partida del 1.5 a 2.0 veces el par nominal y nunca son mayores de ¾ HP

En virtud de su mayor par de arranque, los motores de fase partida y arranque por capacitor se emplean para bombas, compresores, unidades de refrigeración, acondicionadores de aire y lavadoras grandes, en los que se necesita de un motor monofásico que desarrolla alto par de arranque bajo carga y cuando se requiere un motor reversible.

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Motor con capacitor de marcha

Este tipo de motor tiene dos devanados permanentes que, en general, se arrollan con alambre del mismo diámetro y el mismo número de vueltas, es decir, los devanados son idénticos (figura 2.7).

Ya que trabaja en forma continua como motor de arranque por capacitor no se necesita interruptor centrífugo. Los motores de este tipo arrancan y trabajan en virtud de la descomposición de fase de cuadratura que producen los dos devanados idénticos desplazados en tiempo y espacio. En consecuencia, no tiene el alto par de marcha normal que producen los motores ya sea de arranque por capacitor o de arranque por resistencia.

El capacitor que se usa se diseña para servicio continuo y es del tipo de baño de aceite. El valor del capacitor se basa más en su característica de marcha óptima que en la de arranque. Al instante de arranque, la corriente en la rama capacitiva es muy baja. El resultado es que estos motores, a diferencia de los de arranque por capacitor, tienen par de arranque muy deficiente, de entre 50 a 100 por ciento del par nominal, dependiendo de la resistencia del rotor.

Este tipo de motor se presta al control de velocidad por variación de voltaje de suministro. Se usan diversos métodos para ajustar el voltaje aplicado al estator y producir el control deseado de velocidad, como transformadores con varias salidas, variacs, potenciómetros y resistencias o reactores con varias salidas.

Debido a su funcionamiento uniforme y a la posibilidad de controlar la velocidad, las aplicaciones de este motor pueden ser ventiladores de toma y descarga en máquinas de oficina, unidades de calefacción o aire acondicionado.

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Motor con capacitor de arranque y de marcha.

El motor de capacitor de marcha tiene un punto débil importante que es su bajo par de arranque. El motor de capacitor de arranque y de marcha, combina las ventajas de funcionamiento casi sin ruido y de control limitado de velocidad del capacitor de marcha con el alto par de arranque del motor de arranque por capacitor. Se emplean dos capacitores durante el periodo de arranque. Uno de ellos, el capacitor electrolítico de arranque, semejante al que se usa para el trabajo intermitente del motor de arranque por capacitor, tiene una capacitancia bastante alta, de 10 a 15 veces el valor del capacitor de marcha y se saca del circuito mediante un interruptor centrífugo al alcanzar el 75% de la velocidad síncrona y con ello produce el par de arranque necesariamente alto (figura 2.8b). entonces el motor continúa acelerando como motor de un capacitor, con el valor óptimo de capacitancia del dispositivo de aceite para trabajar en la carga nominal o cerca de ésta.

La ventaja principal del motor de capacitor de dos valores es su alto par de arranque, aunado al trabajo poco ruidos y al buen par de funcionamiento. Se clasifica como motor invertible porque cuando las terminales de la línea de un devanado se inviertes, se pone a trabajar en reversa del modo acostumbrado.

Entre las aplicaciones podemos mencionar las unidades domésticas de acondicionamiento de aire, en las que se emplea en el compresor y que trabajan con una corriente de ramal igual a 15 A.

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Motor de polos sombreados

Todos los motores monofásicos que se describieron anteriormente emplean estatores con entrehierros uniformes con respecto a sus devanados del rotor y estator, que están distribuidos uniformemente por la periferia del estator. Los métodos de arranque se basan en general en el principio de fase parida de producir un campo magnético rotatorio para iniciar el giro del rotor.

El motor de polos sombreados es, en general, un motor pequeño de potencia fraccionaria que no es mayor de 1/10 HP, aunque se han producido motores hasta de ¼ HP. La gran ventaja de este motor estriba en su extrema simplicidad: un devanado monofásico de rotor, rotor jaula de ardilla vaciada y piezas polares especiales. No tiene interruptores centrífugos, capacitores, devanados especiales de arranque ni conmutadores. Tiene tan sólo un devanado monofásico pero es inherentemente de arranque propio.

La figura 2.9a muestra la construcción general de un motor de polos sombreados (dos polos salientes). Las piezas polares especiales se forman con laminaciones y una bobina de sombreado en cortocircuito. O bien un anillo de cobre macizo de una sola vuelta, alrededor del segmento más pequeño de la pieza polar. La bobina de sombreado está separada del devanado principal de ca y sirve para proveer una división de fase del flujo principal del campo. Demorando el cambio de flujo en el segmento menor.

El flujo en el segmento del polo sombreado siempre está en retraso al correspondiente en el segmento principal, tanto en tiempo como en espacio físico, aunque no existe entre ellos una verdadera relación de 90°. El resultado es que se produce un campo magnético rotatorio, suficiente para originar un pequeño desbalanceo en los pares del rotor, tal que el par en el sentido de las manecillas del reloj es

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mayor que el contrario, o viceversa, y el rotor siempre gira en la dirección del campo magnético giratorio.

El motor de polos sombreados es robusto, barato, pequeño y necesita de poco mantenimiento. Desafortunadamente tiene bajo par de arranque, baja eficiencia y bajo factor de potencia. Tratándose de un motor pequeño, las últimas dos consideraciones no son serias. Su bajo par de arranque limita su aplicación a motores económicos de tornamesas, proyectores de cine, asadores eléctricos, ventiladores y fuelles pequeños, máquinas expendedoras, sintonizadores de TV de control remoto y otras cargas relativamente ligeras de servomecanismos.

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PARÁMETROS ELÉCTRICOS

Corriente nominal: En un motor, el valor de la corriente nominal es la cantidad de corriente que consumirá el motor en condiciones normales de operación.

Corriente de vacío: Es la corriente que consumirá el motor cuando no se encuentre operando con carga y es aproximadamente del 20% al 30% de su corriente nominal.

Corriente de arranque: Todos los motores eléctricos para operar consumen un excedente de corriente, mayor que su corriente nominal, que es aproximadamente de dos a ocho veces superior.

Corriente a rotor bloqueado: Es la corriente máxima que soportara el motor cuando su rotor esté totalmente detenido.

VELOCIDAD SÍNCRONA

La velocidad a la que gira la fuerza magnetomotriz se conoce como velocidad síncrona, su fórmula es la siguiente y se expresa en revoluciones por minuto (R.P.M.)

DESLIZAMIENTO

El rotor no gira a la misma velocidad que el campo magnético giratorio, por lo que se dice que tiene deslizamiento, y se define como la diferencia entre la velocidad síncrona y la velocidad del rotor.

VELOCIDAD DEL ROTOR

La velocidad de rotación mecánica del rotor.

FRECUENCIA EN EL ROTOR

El movimiento relativo entre el flujo del estator y los conductores del rotor induce en el rotor voltajes de frecuencia diferente a la aplicada en el estator.

El comportamiento de una máquina de inducción es semejante al de un transformador, con la propiedad adicional de la transformación de frecuencia.

Con el rotor girando en la misma dirección que el campo del estator, la frecuencia de las corrientes del rotor es:

En condiciones normales de funcionamiento el deslizamiento es pequeño (de 3 a 10% a plena carga en la mayoría de los motores jaula de ardilla) por lo tanto la frecuencia del rotor es muy baja (de 2 a 6 Hz) en motores de 60 Hz.

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TORQUE

CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN

NEMA (National Electrical Manufacturers Association) en Estados Unidos y la IEC (International Electrotechnical Commission) tienen definidos, en toda la gama de potencias, una serie de diseños normalizados con diferentes curvas de momento de torsión – velocidad.

Estos diseños normalizados se conocen como clases de diseño y a un solo motor se le puede denominar como "motor de diseño de la clase X". En la siguiente figura pueden verse una serie de curvas de momento de torsión – velocidad típicas para las cuatro clases de diseños normalizados de NEMA.

Los rasgos característicos de cada clase de diseño normalizado se esbozan a continuación:

DISEÑO CLASE "A": Los motores de diseño clase A son los motores de diseños normales, con un momento de arranque normal y bajo deslizamiento. El deslizamiento de plena carga de los motores de diseño A debe ser menor del 5% y menor también que el de los motores de diseño B de condiciones equivalentes. El momento de torsión máximo está entre 200 y 300% del momento de torsión a plena carga y sucede a bajo deslizamiento (menos del 20%). El momento de torsión de arranque de este diseño es por lo menos el momento de torsión nominal, para los motores más grandes, y de 200% o más del momento de torsión nominal, para los motores más pequeños. El problema principal con esta clase de diseño es su extremadamente alto valor de la corriente durante el arranque. Los flujos de corriente en el arranque están, generalmente, entre 500% y 800% de la corriente nominal. Con estos motores, en tamaños por encima de unos 7.5 hp, se debe utilizar alguna forma de arranque de voltaje reducido para controlar los problemás de la caída de voltaje en el sistema de potencia al cual están conectados durante el arranque. En tiempos pasados, el diseño de motores clase A era el diseño común para la mayor parte de las aplicaciones entre 7.5 hp y 200 hp, pero durante los últimos años se han reemplazado profusamente por los motores de diseño clase B. Las aplicaciones típicas para estos motores son los ventiladores, abanicos, bombas, tornos y otras máquinas – herramientas

DISEÑO CLASE "B": Los motores de diseño clase B tienen un momento de torsión de arranque nominal, una corriente de arranque más baja y un deslizamiento bajo. Este motor produce, aproximadamente, el mismo momento de arranque de los motores clase A, con cerca de un 25% menos de corriente. El momento de torsión máximo es mayor o igual al 200% del momento de carga nominal, pero menor que el de diseño clase A, en razón del aumento de la reactancia del rotor. El deslizamiento del rotor es aún relativamente bajo (menos del 5%) a plena carga. Las aplicaciones son similares a aquellas del diseño clase A, pero se prefiere el diseño clase B por razón de sus menores exigencias de corriente de arranque. Los motores de diseño clase B han reemplazado considerablemente los motores de diseño clase A en las instalaciones modernas.

DISEÑO CLASE "C": Los motores de diseño clase C tienen un momento de torsión de arranque alto, con corriente de arranque baja y bajo deslizamiento (menos del 5%) a plena carga. El momento de torsión máximo es ligeramente más bajo que el de los motores de clase A, mientras que el momento de torsión de arranque llega hasta un 250% del momento de plena carga. Estos motores se fabrican

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con rotores de doble jaula por lo que son más costosos que los motores de las clases anteriores. Se usan para cargas que requieren un alto momento de arranque, tales como bombas cargadas, compresores y bandas transportadoras.

 DISEÑO CLASE "D": Los motores de diseño clase D tienen un momento de torsión de arranque muy alto (275% o más del momento de torsión nominal) y una corriente de arranque baja, pero tienen también un deslizamiento alto a plena carga. Son, esencialmente, motores de inducción comunes, de clase A, pero con las barras del rotor más pequeñas y hechos de un material de más alta resistencia. La alta resistencia del rotor hace que el momento de torsión máximo se presente a muy baja velocidad. Incluso es posible que el momento de torsión más alto ocurra a velocidad cero (100% de deslizamiento). El deslizamiento a plena carga para estos motores es bastante alto en razón de la alta resistencia del rotor, la que por lo general tiende de un 7 a un 11%, pero puede llegar hasta al 17% o más. Estos motores se usan en aplicaciones que requieren la aceleración de cargas de tipo inercias extremadamente altas, especialmente grandes volantes usadas en prensas punzonadoras o grúas de tijera. En tales aplicaciones, estos motores aceleran un gran volante hasta su máxima velocidad, para luego impulsar la perforadora. Después de una operación de perforación, el motor reacelera el volante por un período de tiempo razonablemente largo para la siguiente operación.

1.1.1 Instrumentos didácticos

1.1.2 Instrumentos de evaluación

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1.2 TEMA 2 – MOTORES DE CD.

Son máquinas eléctricas rotativas que transforman la energía eléctrica en mecánica. Los motores de corriente continua presentan el inconveniente de ser más complejos que los de CA y de que sólo pueden ser alimentados a través de equipos rectificadores. En contrapartida, poseen un par de arranque elevado, y su velocidad se puede regular con facilidad entre amplios límites, lo que los hace ideales para aplicaciones donde sea importante el control y la regulación.

Principio de Funcionamiento.

Un motor de corriente continua (CC) está compuesto de un estator y un rotor. En muchos motores, generalmente los más pequeños, el estator está compuesto de imanes para crear un campo magnético. En motores más grandes este campo magnético se logra con devanados de excitación de campo.

El rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor y está compuesto de bobinas de alambre magneto por donde circula la corriente continua. Esta corriente continua es suministrada al rotor por medio de las "escobillas" generalmente fabricadas de carbón.

Cuando un conductor por el que fluye una corriente continua es colocado bajo la influencia de un campo magnético, se induce sobre él (el conductor) una fuerza que es perpendicular tanto a las líneas de campo magnético como al sentido del flujo de la corriente

Figura 2.1 principio de funcionamiento del motor de CD.

Haciendo circular una corriente por una espira situada en un campo magnético, cada conductor se verá sometido a una fuerza de direcciones contrarias, por serlo el sentido de la corriente.

El par de fuerzas generado hará girar la espira que, al disponer de un colector de delgas, hará que la corriente circule siempre en el mismo sentido manteniendo el sentido del par y por tanto del giro.

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Figura 2.2 Principio de funcionamiento.

Si se invierte el sentido de la corriente cambiando la polaridad de la alimentación, se conseguirá cambiar el sentido de giro.

La fuerza con la que el motor gira (el par motor) es proporcional a la corriente que hay por los conductores. A mayor tensión, mayor corriente y mayor par motor.

Fuerza contraelectromotriz de un motor CC (gráfico y fórmula)

Cuando un motor de corriente continua es alimentado, el voltaje de alimentación (Vm) se divide en:

La caída de tensión (voltaje) que hay por la resistencia de los devanados del motor (debido a la resistencia interna Ra) y.una tensión denominada fuerza Contraelectromotriz (FCEM).

Figura 2.3 Modelo de un motor de CD.

Donde:

Vm = Voltaje de alimentación al motor  (volts)Ra = Resistencia del devanado de excitación  (ohms)Ia = corriente de excitación (amperes)Vb = FCEM debido al giro del motor (voltios)

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Aplicando la ley de tensiones de Kirchoff:

Vm = Vb + (Ia x Ra)

La FCEM es proporcional a la velocidad del motor y a la intensidad del campo magnético. Si el motor tiene rotor con imán permanente esta constante es:

K = Vb / Nd.

Donde:

K = constante de FCEM del motor y se expresa en Volts / rpmNd = Velocidad de giro del motor en rpm

En las escobillas tiene lugar una caída de tensión que se opone a la intensidad del inducido. Su valor aproximado es de unos 2V.

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Corriente en el arranque En el momento del arranque el motor parte de una posición de reposo. Al estar parado el rotor, los conductores no se mueven respecto al campo inductor y la fuerza contraelectromotriz es cero.

En esta circunstancia la intensidad del inducido sólo se ve limitada por la pequeña caída de tensión en las escobillas y por las resistencias de los devanados que suelen ser muy pequeñas. Esto hace que la intensidad absorbida en el arranque pueda ser muy alta, aunque disminuya a medida que el rotor gana velocidad y crece la f.c.e.m. inducida.

Figura 2.4

El arranque directo sólo está permitido para potencias inferiores a 5,5 kW.

Para limitar la corriente de arranque se pueden colocar resistencias en serie con el inducido, disminuyendo su valor a medida que el motor aumenta su velocidad.

Velocidad de giro

La velocidad de giro de un motor de corriente continua se puede determinar combinando las ecuaciones de f.e.m. y de intensidad de corriente:

La velocidad de giro de un motor de CC aumenta con la tensión aplicada, al disminuir la corriente de inducido y al disminuir el campo inductor.

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El método más empleado, por su sencillez, es el de regular el flujo inductor mediante un reóstato en serie con el devanado inductor.

TIPOS DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA.

MOTOR SERIE.

Un motor serie es un tipo de motor eléctrico de corriente continua cual el devanado de campo (campo magnético principal) se conecta en serie con la armadura (inducido) Este devanado está hecho con un alambre grueso de pocas espiras, porque tendrá que soportar la corriente total de la armadura.

Debido a esto se produce un flujo magnético proporcional a la corriente de armadura (carga del motor). Cuando el motor tiene mucha carga, el campo de serie produce un campo magnético mucho mayor, lo cual permite un esfuerzo de torsión mucho mayor. Sin embargo, la velocidad de giro varía dependiendo del tipo de carga que se tenga (sin carga o con carga completa).

Si al efectuar el arranque del motor serie se conecta directamente a la línea , la intensidad de corriente absorbida tomará un valor exagerado. En efecto, cuando el rotor está parado no se genera fuerza contraelectromotriz en el bobinado inducido ( por no tener movimientos los conductores. ) Entonces la intensidad de corriente absorbida recibe el nombre de corriente de cortocircuito .

El motor serie se caracteriza por tener un elevado par de arranque. En defecto, el bobinado inductor principal, conectado en serie con el bobinado inducido, es recorrido por la corriente total Ia . Por consiguiente, la excitación del campo magnético aumenta mucho en el arranque. Estos motores desarrollan un par de arranque muy elevado y pueden acelerar cargas pesadas rápidamente.

El motor serie es muy inestable, ya que presenta el peligro de embalarse cuando disminuye mucho la carga. El peligro de embalamiento se hace más grave si, por error o avería, llega el motor a trabajar en vacío, por ejemplo, por rotura de la correa, llegando entonces a alcanzar velocidades peligrosamente.

Figura 2.6 motor serie.

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Característica de velocidad

La característica de velocidad tiene forma de hipérbola. Según aumenta la intensidad del motor, este va perdiendo velocidad, a la vez que aumenta su par.

Para corrientes muy pequeñas el motor tiende a alcanzar velocidades muy elevadas que pueden llegar a ser peligrosas, por lo que no conviene hacer funcionar estos motores en vacío.

Figura 2.7 velocidad motor serie.

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Característica de par motor

El motor serie tiene un elevado par de arranque debido al alto valor de la intensidad de arranque.

Figura 2.8 curva característica del par de un motor serie.

Característica mecánica

Al aumentar el par resistente el motor reduce su velocidad a la vez que consume más intensidad generando el par suficiente. Si el par resistente es excesivo, el motor no puede con la carga y tiende a pararse. Si el par resistente disminuye mucho el motor se embala. Para controlar la velocidad de los motores serie se coloca un reóstato en paralelo con la excitación. Se

consigue así un control sobre el flujo inductor y, con él, sobre la velocidad.

Figura 2.9 característica mecánica de un motor serie

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MOTOR SHUNT (DERIVACIÓN).

Se designa así al motor de corriente continua cuyo bobinado inductor principal está conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducido e inductor auxiliar. Las bobinas polares principales son construidas de muchas espiras y con hilos de poca sección, por lo que la resistencia del bobinado inductor principal es muy grande.

Figura 2.10 modelo de un motor shunt.

La intensidad de corriente total absorbida por el motor se descompone en dos partes, una recorre el bobinado inductor principal y otra que pasa por el inducido.

El par de arranque del motor shunt también es mayor que el momento de rotación nominal, pero sin llegar a ser tan elevado como el motor serie, ya que aquí solamente crece la corriente en el inducido mientras que se mantiene constante el flujo ( por ser constante la corriente de excitación ). En consecuencia, el par de arranque viene a ser 1,4 a 1,8 veces el par nominal.

Característica de velocidad

El motor shunt conserva casi inalterable su velocidad, aunque varíe el par. No obstante, también el motor shunt puede embalarse si quedara cortado el circuito de excitación .Ahora bien, esto sólo puede ocurrir por error de maniobra o avería.

La propiedad de tener una velocidad estable, hace del motor shunt, el motor por excelencia para el mando de máquinas para herramientas, así como en aquellas aplicaciones que no han de tener vigilancia permanente.

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2.11 característica de velocidad de un motor shunt.

La regulación de velocidad entre amplios límites se consigue mediante un reóstato en serie con la excitación.

Característica del par motor

Relaciona el par motor con la corriente de inducido. Para un determinado flujo constante el par motor es directamente proporcional a la corriente de inducido

2.12 característica de par de un motor shunt.

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Característica mecánica

Relaciona el par motor con la velocidad. Es importante porque nos indica la velocidad a la que girará el motor al aplicar un determinado par resistente.

Considerando el flujo constante la velocidad también lo es para cualquier par resistente.

El par aumentará incrementando la intensidad de inducido para conseguir igualar el par resistente

2.13 característica mecánica de un motor shunt.

Motor compuesto (compound).

Se designa así al motor de corriente continua cuya excitación es originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducido, serie y auxiliar.

2.14 modelo de un motor compuesto

Las intensidades de corriente de excitación del inducido y la total se calculan con las fórmulas similares a las expuestas anteriormente para los motores Serie y Shunt.

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Para impedir que la corriente absorbida en el arranque tome un valor excesivo, es preciso intercalar, en serie con el circuito del inducido, un reóstato de arranque, cuya resistencia esté calculado para que la intensidad de corriente en el arranque se encuentre dentro de los valores aceptables.

2.15 motor compound derivación corta

2.16. Modelo de un motor Compound derivación larga

Con el devanado en derivación se consigue evitar el peligro de embalamiento del motor por reducción de flujo, por lo que estos motores se comportan en vacío como los motores en derivación. En carga, el

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devanado en serie hace que el flujo aumente, por lo que la velocidad tiende a disminuir, aunque no en la misma medida que lo hace un motor serie.

2.17. Curvas características de un motor compound.

Se utilizan en aquellos casos en los que el par de arranque de los motores con excitación derivación no son capaces de mover la carga, como, por ejemplo, en dispositivos de elevación.Motor con excitación independienteEl devanado de excitación se conecta a una fuente de tensión diferente a la aplicada al inducido. Sus características de funcionamiento son parecidas a las del motor derivación pero, la separación de la excitación, aporta mayores ventajas para la regulación de velocidad.En la figura se muestra, a modo de ejemplo, el sistema de regulación de un motor de CC de excitación independiente por generador independiente.

2.18. Modelo de un motor excitación independiente.

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CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE CADA UNO DE LOS DISTINTOS TIPOS DE MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA.

Las características más destacables de los motores en corriente continua son:Motor de excitación independiente

Par de arranque muy elevado.Fácil control de velocidad en forma automática.Requiere reóstato de arranque.Se utiliza en motores pequeños.

Motor de excitación seriePar de arranque muy elevado.Difícil control de velocidad.Requiere reóstato de arranque.Se utiliza para tracción eléctrica.

Motor con excitación derivación (shunt)Par de arranque menor que en el motor serie.Muy estable.Requiere reóstato de arranque en el inducido.Utilizado en máquinas herramientas.

Motor con excitación compuestaPar de arranque más elevado que el motor en derivación.Muy estable.Requiere reóstato de arranque en el inducido.Utilizado en máquinas herramientas y para tracción.

En estos motores la FEM en reposo es cero, y por consiguiente, la corriente y el par de arranque sólo quedan limitados por la resistencia del circuito de inducido. Los motores de corriente continua pueden arrancar por diferentes procedimientos actuando sobre la tensión. Los más utilizados son el reóstato de regulación y los dispositivos electrónicos de rectificación controlada. Arranque de motores de corriente continua por reóstatos Los reóstatos se conectan en serie con el inducido, de manera de producir una caída que disminuya la tensión efectivamente aplicada sobre el mismo. En el caso del motor derivación, se deduce que conservando constantes el flujo y la tensión total, la pendiente de la característica velocidad / par es proporcional a la resistencia del circuito de inducido. Aumentando esta resistencia, la característica cortará al eje de velocidad cero en un punto de menor par (y corriente) de arranque. Por su parte en el caso del motor serie el efecto de la resistencia adicional es semejante, obteniéndose un determinado par de arranque con una sobrecorriente menor que en el motor derivación, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de tracción. Arranque de motores de corriente continua por dispositivos electrónicos En estos arrancadores el equipo electrónico, generalmente de tiristores, recibe un suministro de corriente alterna monofásica o trifásica y lo convierte en un suministro de tensión continua variable, que permiten el arranque con aplicación progresiva de tensión, con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque.

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1.2.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje.

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TEMA 3 – SERVOMOTORES Y MOTORES A PASOS.

Mando:Un mando contiene un circuito de acción abierto. Los sensores o dispositivos de interfase de operador transmiten señales al control a través de los módulos de entrada del sistema. En la etapa de control, dichas señales son procesadas, a continuación, las señales son transmitidas a los actuadores a través de los módulos de salida. Si se constata que el resultado que se desea obtener no es exacto (por ejemplo en el caso de un posicionamiento), probablemente sea necesario repetir la operación.

Planta:Una planta es un equipo o simplemente un juego de piezas de una máquina funcionando juntas, cuyo objetivo es realizar una operación determinada, por ejemplo: un horno de calentamiento, un reactor químico, una nave espacial, etc.

Proceso:Una operación o desarrollo natural, progresivamente continua caracterizada por una serie de cambios graduales de un estado a otro de un modo relativamente fijo y que tienden a un determinado resultado o final.

Sistema:Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un determinado objetivo.

Perturbaciones:Es una señal que tiende a afectar adversamente el valor de salida de un sistema. Si la perturbación se genera dentro del sistema, se le denomina interna, mientras que una perturbación externa se genera fuera del sistema y se constituye una entrada.

Sistema de control de lazo abierto:El controlador recibe la señal deseada y la utiliza para accionar el elemento final de control.

Sistema de control de lazo cerrado:En este sistema, se realiza una comparación entre la señal de entrada y el valor que se obtiene en la salida del sistema, a esta comparación se le denomina error y en base a éste, el controlador actúa sobre los elementos finales de control.

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Sistema de Control Retroalimentado:Es aquel que tiende a mantener una relación preestablecida entre la salida y la entrada de referencia de un sistema, comparando ambas y utilizando la diferencia como parámetro de control.

Servomecanismo:Un servomecanismo es un sistema de control retroalimentado en el cual la salida es alguna posición, velocidad o aceleración mecánica.

Un sistema de control para servomecanismos es uno de los más importantes y conocidos sistemas de control. Cualquier máquina que requiera de rotación continua necesita un sistema de servo control. Sus principales objetivos son:

- Mantener la velocidad del motor constante entre ciertos límites, aún cuando la carga de entrada del motor pueda variar. Esto comúnmente es conocido como Regulación.

- Variar la velocidad y la carga de acuerdo con un programa de requerimientos normalmente externo al sistema. Esto es conocido como Seguimiento de una referencia.

Los sistemas de control de posición son un componente importante de muchos procesos industriales. Ejemplos son encontrados en robótica, movimiento de herramientas, control numérico y muchos otros.Muchos de los controles de servomecanismos son implementados digitalmente usando sensores digitales.

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POTENCIA DE SALIDA:La parte que nos proporciona la potencia en el servomecanismo debe ser capaz de mover cualquier carga asociada que puede ser tan pequeña como una pluma de un registrador o tan grande como una torre blindada con cañones sobre una embarcación.Cualquier clase de fuente de energía mecánica adaptada para accionar la salida de un servomecanismo es conocida con el nombre de servomotor, que puede ser cualquier tipo de motor eléctrico o algún actuador hidráulico como un motor fluídico rotatorio o un dispositivo con pistón y cilindro.

Motores de CD:El motor de corriente directa es de muy amplia utilización de servomecanismos con los que tienen salida de baja o alta potencia. Consiste en una estructura estacionaria de hierro móvil llamada el imán del campo y de un miembro rotatorio conocido como armadura. EL primero de ellos consiste de un devanado que hace que el hierro se magnetice cuando la corriente pasa a través de los conductores de dicho devanado. La armadura se construye también de hierro con un devanado sobre ella de modo que cuando una corriente circula a través de el reacciona con el campo magnético y lo hace girar. La corriente llega hasta el devanado de la armadura mediante escobillas de carbón que rozan sobre un cilindro de cobre segmentado llamado conmutador.

Motor de corriente directa con devanado de campo

El par producido por un motor de CD es proporcional al producto de la corriente de campo por la corriente de armadura. Para aplicaciones de servomotores se acostumbra utilizar excitación separada o independiente.

Servomotores de CD con excitación independiente:Cuando un motor de CD se utiliza para proporcionar la potencia de salida en un servomecanismo, el campo se conecta generalmente a una fuente de voltaje de cd constante. Las variaciones del voltaje del detector se aplican al devanado de la armadura como se ve en la siguiente figura:

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Y como la polaridad del campo no cambia, el giro de la armadura será en una dirección cuando el error es positivo y en la dirección opuesta cuando el error es negativo.Con esta configuración, si aumenta la carga, la corriente de armadura será insuficiente para manejarla, pero como la velocidad disminuye y con ella la fuerza contraelectromotriz, aumenta esa corriente y por lo tanto el motor puede mover una carga mayor aumentando la corriente y reduciendo la velocidad, en tanto no exceda su capacidad.Con esto podemos concluir que los motores de CD satisfacen los requerimientos para la potencia de salida de un servomecanismo.

Servomotores de CD de imán permanente:Generalmente se utilizan para potencias pequeñas que van desde los muy pequeños hasta 2 o 3 HP, si se requieren mayores potencias es necesario utilizar devanado en el campo.

Motor de inducción de CA:Un segundo tipo de motor es el motor de inducción “jaula de ardilla”. Este motor consiste de una estructura estacionaria de hierro laminado llamada estator y de un miembro giratorio llamado rotor. El primero es ranurado en su periferia interna y los devanados se colocan dentro de esas ranuras en un arreglo doble que permite tener dos ejes magnéticos, uno perpendicular a otro. Lo anterior se muestra en la siguiente figura:

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El rotor consiste de un cilindro ranurado hecho con laminaciones de hierro montadas sobre el eje del motor. Se colocan barras sólidas de cobre o aluminio a lo largo de las ranuras del rotor conectadas entre sí por anillos del mismo material en ambos extremos.

Velocidad y par en un motor de inducción:La velocidad de un motor de inducción se determina básicamente por la frecuencia de la corriente alterna que se le suministra (generalmente 60 Hz). Sin embargo hay una gran tendencia hacia las altas frecuencias cuando se requieren aplicaciones especiales de control. Las altas frecuencias permiten el uso de motores y transformadores más pequeños para una capacidad dada, por lo que industrialmente también existe la tendencia mencionada en servomecanismos y otros dispositivos de control.La velocidad en un motor de inducción también se ve afectada por el diseño del motor y el par en la carga.

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AMPLIFICADORES:Un amplificador es un dispositivo que recibe una entrada y proporciona una salida relacionada de alguna forma con la primera. La finalidad de los amplificadores es que la salida pueda desarrollar mas potencia que la señal de entrada.

Amplificadores de potencia:Como ya se mencionó, se requiere a menudo amplificar la potencia y el voltaje entre el detector de error y el servomotor, Los amplificadores diseñados específicamente para proporcionar una considerable potencia de salida, utilizarán componentes que en general también requerirán una potencia relativamente alta a la entrada. De esto se concluye que es una práctica común desarrollar uno o más pasos de amplificación de voltaje seguidos de por lo menos un paso final para suministrar potencia. Para los pasos de potencia se utilizan dispositivos electrónicos de estado sólido (transistores o tiristores) los cuales pueden manejar motores de varios HP.

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SENSORES:En todos los servomecanismos, uno de los componentes más importantes es el sensor de posición. Éste mide la posición del servomotor y la convierte en una señal eléctrica que el sistema de control pueda interpretar y usar. Los sensores digitales ópticos de posición son particularmente importantes debido a que no tienen partes de contacto y por consiguiente no están sujetos al ruido de los controladores de posición analógicos. Una ventaja de los sensores ópticos es que pueden ser usados en ambientes severos donde existan fuertes campos magnéticos y RF. Los sensores digitales ópticos de posición utilizan un disco especial codificado para medir la posición del eje.

Encoders incrementales o relativos:Los encoders incrementales suelen tener una sola banda de marcas transparentes y opacas repartidas a lo largo del disco rotórico y separadas por un paso (p), tal como muestra la figura siguiente:

En el estator se utilizan dos pares de emisor-receptor óptico decalados un número entero de pasos mas ¼. Al girar el rotor, cada par óptico genera una señal cuadrada. El decalaje de ¼ de división de los detectores hace que las señales cuadradas de salida tengan entre sí un defasaje de ¼ de periodo cuando el rotor gira en un sentido, y de ¾ de periodo cuando gira en el sentido contrario, lo cual se utiliza para determinar el sentido de giro.

Algunos encoders incrementales disponen de un canal adicional, que proporciona un impulso por revolución. La lógica de control puede utilizar esta señal para implementar un contador de vueltas y otro para fracciones de vuelta.

La resolución del encoger depende del número (N) de divisiones del rotor o, lo que es lo mismo, el número de impulsos por revolución. La resolución expresada en grados es igual a:

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Encoders absolutos:Los encoders absolutos disponen de varias bandas dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas, con zonas opacas y transparentes dispuestas de tal forma que en sentido radial el rotor queda dividido en una serie de sectores, con combinaciones de opacos y transparentes que siguen un código Gray o binario reflejado:

El estator dispone de un captador para cada corona del rotor, dispuestos en forma radial. El conjunto de informaciones binarias obtenida de los captadores es único para cada posición del rotor y representa posición absoluta.En este caso la secuencia que muestran los captadores sería:

Número Código Gray

0 0000

1 0001

2 0011

3 0010

4 0110

5 0111

6 0101

7 0100

8 1100

9 1101

10 1111

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11 1110

12 1010

13 1011

14 1001

15 1000

Para un encoder de N bandas en el rotor se tendrá un código de N bits, que permite combinaciones.Por lo tanto su resolución será:

Típicamente los encoger disponibles van desde los 12 a los 16 bits con lo que se consiguen resoluciones de 1/4098 y 1/65536 (en grados 0.0879o y 0.00054o).

Sincros:Un sincro es un transductor de posición angular de tipo electromagnético, cuyo principio de funcionamiento puede resumirse diciendo que se trata de un transformador con uno de sus devanados rotativo.

Existen diversos tipos de sincros, dependiendo del número de devanados y de su disposición, pero las configuraciones más frecuentes son las que disponen de:

- primario alojado en el rotor, en general monofásico.- Secundario alojado en el estator, en general trifásico.

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Para comprender su funcionamiento nos referiremos a la siguiente figura:

En esta figura se representa el primario monofásico, y secundario trifásico conectado en estrella. Cuando se aplica una tensión senoidal U1 al devanado primario, se producen en los devanados secundarios de cada una de las fases tres tensiones, es1, es2 y es3 cuya amplitud y fase con respecto a la tensión del primario dependen de la posición angular del rotor según las siguientes ecuaciones:

La figura siguiente muestra esquemáticamente la amplitud y signo de las tensiones en el devanado del estator para diferentes orientaciones del devanado del rotor:

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Resolver:Una configuración particular del sincros es el resolver cuyo principio de funcionamiento es análogo al anterior con las siguientes particularidades constructivas:

- Primario alojado en el estator y generalmente bifásico.- Secundario alojado en el rotor, que puede ser monofásico o bifásico.

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De esta manera podemos decir que los resolvers son sincros con una configuración distinta de devanados. Los devanados del estator se alimentan generalmente en serie (sistema monofásico), dando un campo estacionario sobre el eje y los devanados del rotor (bifásico) recogen sendas tensiones de acuerdo con las ecuaciones siguientes:

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Detalle del rotor y estator de un resolver

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Algunas aplicaciones de los servomotores:

Aeronáutica Alimentadoras Bobinadoras Centrifugadoras Control de posición de ejes

Máquinas de impresión Elevadores

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Máquinas de Mecanizado de alta velocidad Máquinas de soldadura

Máquinas herramienta a CNC Etiquetadoras

Simbología:

Algunas características de los servomotores:

- Prolongado intervalo de mantenimiento.- Diseño compacto.- Bajo momento de inercia- La capacidad de torque no se ve disminuida a bajas velocidades aún con rotor detenido.- Excelente precisión de rotación.- Monitoreo de temperatura.- Alta estabilidad rotacional frente a vibraciones.

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A continuación se muestra una gráfica Par – Velocidad de un servomotor 1PH7 de Siemens con velocidad nominal de 2000 rpm:

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La gráfica que corresponde a la potencia en función de la velocidad tendrá un comportamiento como sigue:

Puede observarse que el par disponible se mantiene constante hasta alcanzar la velocidad nominal. Luego comienza la zona de debilitamiento de campo, en donde la potencia se mantiene constante, disminuyendo la capacidad de par (esta característica de potencia constante es común en aplicaciones de máquinas herramienta). Finalmente, las curvas alcanzan el límite de operación, determinado por el margen de seguridad que es necesario establecer entre el par nominal y el par máximo a fin de obtener un comportamiento estable de la máquina accionada.

Además, se especifican las curvas para diferentes ciclos de operación. Los mismos se definen como:

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S1 (operación continua): ciclo de operación con carga constante, suficientemente largo como para asegurar que el motor alcanza la condición de equilibrio térmico. S6 (operación continua con carga intermitente): ciclo de operación en donde el período útil (con carga) tiene siempre la misma duración. Cada ciclo incluye un período con carga y uno sin carga. Salvo indicación contraria, el tiempo de carga útil se especifica en porcentaje de un ciclo de 10 minutos. Ej.: S6-25% significa que el motor operará 2,5 minutos con carga y 7,5 minutos sin carga.

Servovalvulas:

Válvulas proporcionales Las electroválvulas de conmutación, normalmente cerradas, forman la base de las válvulas proporcionales de Bürkert. Realizando modificaciones constructivas en las electroválvulas de conmutación es posible adaptar las fuerzas magnéticas y de los resortes a cualquier corriente en la bobina. El nivel de corriente en la bobina y la fuerza magnética determina la carrera del émbolo o, dicho de otro modo, la apertura de la válvula. Idealmente, existe una dependencia lineal entre la corriente y la apertura de la válvula.

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Válvula proporcional de presión:

W

X

Señal de control

Señal Sensor interno de presión

Pout

X Señal sensor externo de presión

Sensor de Presión

comparador

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Válvula proporcional de flujo:

Lazo de control del Embolo

ControlAnalógicoo señal

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Válvula proporcional servoasistida:

La figura muestra el principio de funcionamiento de este tipo de válvula. Cuando está cerrada, el medio tiene en el lado de entrada una presión p1, el núcleo del émbolo (3) ha descendido y presiona contra el asiento de pilotaje (4). Como resultado de ello y de la fuerza del muelle del pistón, que actúa sobre éste (2), el asiento principal está cerrado (5). Un puerto limitador (6) permite que el medio entre en la cámara de control (1) y presione desde arriba la membrana o junta plana con una presión px.

Si el puerto limitador, el asiento de pilotaje y las proporciones entre superficies están correctamente dimensionadas, las fuerzas de compresión sobre el pistón alcanzan un equilibrio cuando el asiento se abre en una cierta proporción.

Con un control de pilotaje proporcional, en condiciones ideales el pistón sigue el movimiento axial continuo del émbolo precisamente a la distancia a la que se genera ese equilibrio.

1.2.2 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje.

1.3 INSTRUMENTOS DIDÁCTICO Y DE EVALUACIÓN SUGERIDOS PARA ASEGURAR EL RESULTADO DE APRENDIZAJE DE LA UNIDAD.

Mencionar los instrumentos didáctico y de evaluación sugeridos, buscando la alineación con el resultado de aprendizaje de la unidad en los elementos que le corresponda.

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2 UNIDAD TEMÁTICA II – PROCESOS DE CONTROL Y PROTECCIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS EN APLICACIONES INDUSTRIALES.

Resultado del aprendizaje.

Elaborará diagramas de fuerza y control con contactores y relevadores para ejecutar arranque a tensión reducida y tensión plena, bajo las normas DIN y ANSI , elaborando el cálculo de las protecciones para corto circuito y sobrecarga.

2.1 TEMA 1 – ELEMENTOS DE PROTECCIÓN PARA CORTO CIRCUITO Y SOBRECARGA.

Protección contra sobrecorrientes:Los dispositivos que aseguran a la vez, protección contra las corrientes de sobrecarga y las corrientes de cortocircuito pueden ser:Interruptores automáticos con relevador de sobrecarga.Interruptores automáticos asociados con fusibles o ITM.

Los valores nominales de los ITM y fusibles según la NOM-001-SEDE-2005 son: 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 75, 80, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000 y 6000 Amperes.

El NOM-001-SEDE-2005 habla en varios artículos al respecto a la protección de los circuitos derivados del motor.

El objetivo es evitar incendios de origen eléctrico en dichos circuitos y en los conductores de alimentación al motor. En dicha norma se especifica claramente los sistemas de sobrecargas y de cortocircuitos tanto para los conductores de alimentación como para los circuitos derivados, así como el calibre mínimo de los cables que debe ser utilizado para un solo motor o grupo de ellos. En caso de cortocircuito en el interior del motor el sistema de protección contra cortocircuitos del circuito auxiliar evitara que se dañe, además del propio motor, el arrancador y el equipo de control del mismo. El sistema de protección del circuito auxiliar contra sobrecargas, determinado en parte por la corriente en el arranque y en el tipo de motor, está proyectado para proteger a los conductores de alimentación contra sobrecargas continuadas. Esta protección en la línea es, sin embargo, más elevada que la necesaria para la protección del motor contra sobrecargas constantes en funcionamiento. Por esto, es necesario, además, proteger al propio motor contra sobrecargas operativas utilizando dispositivos de máxima los cuales van incluidos en la carcasa del motor o bien el arrancador o en el regulador. Otros dispositivos protectores que serán considerados además de máxima, incluyen protecciones contra baja tensión y sobre tensión, interrupción del campo en derivación, inversión e interrupción de fases y protecciones contra temperatura y desvío de frecuencia.

2.- Fusibles

Quizá el dispositivo más simple de protección del motor contra sobrecorrientes es el fusible. Los fusibles están divididos en dos grandes grupos: fusibles de baja tensión (600 V o menos) y fusibles de alta tensión (más de 600 V). El tipo de cartucho o contacto de casquillo, es útil para las tensiones

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nominales entre 250 y 600 Ven los de tipo fijo y recambiable. El tipo fijo contiene polvo aislante (talco o un adecuado aislante orgánico) redondeando el elemento fusible. En caso de cortocircuito, el polvo tiene como misión: (1) enfriar el metal vaporizado, (2) absorber el vapor metálico condensado, y (3) extinguir el arco que pueda mantenerse en el vapor metálico conductor. La presencia de este polvo es la que confiere al fusible su alto poder de ruptura en el caso de cortocircuitos bruscos.

El tipo tapón fusible, el cual funciona a la tensión nominal de 125 V, estando disponible en el comercio para bajas corrientes nominales de hasta 30 A. Estos fusibles poseen una base roscada y están proyectados para ser utilizados en arrancadores reducidos o en cajas de interruptores de seguridad a 125 V, en motores de pequeña corriente. Por regla general, los fusibles protegen contra los cortocircuitos más bien que contra las sobrecargas.

Se han efectuado ensayos para mejorar las características del fusible en las aplicaciones a los motores de forma que, con valores nominales inferiores, permitan protecciones contra sobrecargas y de cortocircuitos. Un tipo de fusible llamado fusible temporizado, que existe en los tipos de cuchillas, cartucho y tapón, proporciona un gran retardo en el caso de sobrecargas momentáneas o sostenidas antes de desconectar el circuito. Estos fusibles contienen dos elementos en serie (o paralelo): (1) un elemento fusible estándar para la protección de cortocircuitos (25 a 50 veces la corriente normal) y (2) una disposición contra sobrecarga, o interruptor térmico de hasta cinco veces la corriente nominal que proporciona una característica de retardo de tiempo inverso. La cualidad de tiempo inverso significa que, por ejemplo el circuito será conectado por este último elemento en unos 3 minutos (a 5 veces la corriente nominal), hasta aproximadamente 10 segundos (a unas 20 veces la corriente nominal), ya que el efecto térmico varia con el cuadrado de corriente. Por tanto un fusible de valor nominal relativamente pequeño puede ser empleado para procurar la protección contra sobrecargas y sin llegar a desconectar el circuito durante los periodos de elevación transitoria de la corriente en el arranque o en el frenado. En el caso de cortocircuito, el elemento fusible estándar de acción instantánea interrumpe inmediatamente el circuito para evitar desperfectos.

Otro tipo aparte de fusible que ha sido fabricado, intenta mejorar la capacidad de limitación de corriente de estos dispositivos antes de que la corriente de cortocircuito alcance su máximo o un valor de régimen permanente.

Los fusibles de cartucho comunes poseen cierta capacidad de limitación de la corriente ya que interrumpen el circuito casi instantáneamente antes de que el cortocircuito tenga la oportunidad de existir y fundir o unir los contactos de los disyuntores o relés de máxima. El fusible de potencia limitador de la corriente contiene elementos fusibles de aleación de plata rodeados por cuarzo en polvo.

Por encima de 600V se emplean fusibles especiales de alta tensión que incluyen varios órganos para extinguir el arco que se podría mantener, particularmente a alta tensión, cuando el elemento fusible se vaporiza a causa de la corriente excesiva.

Los tipos de fusibles de alta tensión más comunes son: (1) el fusible de desionización con ácido bórico liquido, (2) el fusible de expulsión, y (3) el fusible de material sólido

3.- Combinación del fusible y del relé de sobrecargas

Aunque los propios fusibles presentan, naturalmente, la protección de cortocircuitos o de corriente máxima ruptura, su protección contra sobrecargas esta algo limitada por las razones anteriormente citadas. Los relés de máxima están proyectados para funcionar desde el 110 al 250 por ciento de sobrecarga con corrientes máximas de ruptura de hasta 10 veces la corriente nominal. Que

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comprende los sistemas de protección de sobrecargas y cortocircuito. El tiempo de operación del relé de máxima varia inversamente con la corriente de sobrecarga.

4.- Relé de sobrecarga magnético, de acción instantánea

Este tipo de relé puede ser utilizado en circuitos de corriente continua y con una modificación auxiliar, en circuitos de corriente alterna (por inclusión de un maguito fijo de cobre o de latón rodeando la armadura). Los contactos fijos están normalmente cerrados cuando el relé magnético de sobrecargas esta desexcitado. Con la corriente nominal o algo inferior, la presión del resorte es suficiente para impedir el movimiento de la armadura. Cuando la corriente alcanza o excede una sobrecarga particular (digamos el 125 por ciento de la carga nominal), se crea la fuerza magnetomotriz suficiente para producir el movimiento de la armadura y la apertura de los contactos normalmente cerrados con lo que se conecta el motor.

5.- Relé de sobrecarga magnético, de acción retardada

El amortiguador contiene aceite o un fluido especial de viscosidad adecuada para producir el retardo necesario. Unido a la armadura ¡, existe un pistón en varios agujeros por los cuales pasa el fluido. El pistón asciende cuando la fuerza magnetomotriz (f.m.m). de la bobina es suficiente para ejercer una tracción sobre la armadura. Para regular el tiempo de retardo del relé, el tamaño de las aberturas de los agujeros se puede modificar sacando la cubeta y girando un disco obturador sobre el pistón. El dispositivo produce una característica de retraso tiempo inverso. Cuando la sobrecarga aumenta, la fuerza que hace subir al pistón es mayor y la armadura se levanta en más breve tiempo para abrir los contactos normalmente cerrados.

La ventaja del relé magnético de acción retardada, diferente del tipo instantáneo, es que las sobrecargas súbitas o momentáneas son insuficientes para ocasionar la desconexión del motor. Sin embargo, si la sobrecarga continúa durante el periodo dado, el pistón se levanta lentamente, debido a la acción del líquido, para desplazar los contactos cerrados.

Se observará que, cuando la armadura se levanta, la reluctancia magnética disminuye (entrehierro menor) y la tracción sobre la armadura aumenta.

Los relés magnéticos contra sobrecargas tienen la ventaja de procurar un ajuste preciso de retardo del tiempo de disparo para cada motor.

6.- Relés de sobrecarga, térmicos, de aleación fusible

Un relé térmico, concretamente proyectado para el reenganche manual, es el relé térmico de aleación fusible. Se conecta un calefactor eléctrico de alta potencia en el circuito de carga (de un motor de CD. o de CA). Bajo condiciones de sobrecargas el calor es suficiente para fundir la aleación fusible a baja temperatura y hacer que el muelle arrastre al cierre y haga girar el contacto móvil fuera de los contactos fijos. Al principio podría parecer que, comparado con el relé magnético de máxima, el tipo de aleación fusible es un dispositivo complicado sin necesidad. Realmente, es un relé de máxima practico y muy popular.

7.- Relés de sobrecarga, térmicos bimetálicos

Las ventajas de la utilización de un calefactor separado para accionar los contactos de máxima normalmente cerrados, animó al desarrollo de otros dispositivos más sencillos y menos caros tales como el relé térmico bimetálico. Una tira rectangular bimetálica corriente que se curvara al calentarse debido a la diferente dilatación de los dos metales. Este tipo de desviación es lento, por lo que podría

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quemar los contactos al interrumpir una corriente elevada del circuito muy inducido de un motor. Este dispositivo emplea un disco circular bimetálico cuya cara superior tiene un elevado coeficiente de dilatación. A causa del calor, las fuerzas desarrolladas en el disco, debidas a la distinta, son tales que el disco debe invertir su convexidad con rapidez en vez de gradualmente. El disparo de acción rápida que aparece en el instante de la inversión tiene fuerza suficiente para abrir los contactos fijos a y b tal como se muestra en la posición desplazada. El tiempo de desplazamiento del relé térmico bimetálico de máxima es inversamente proporcional a la magnitud de la corriente de sobrecarga sostenida. De la misma forma que los relés de fusión térmica y acción retardada, permite sobrecargas de breve duración sin desconectar el motor de la línea.

El relé bimetálico posee dos ventajas que no presentan los tipos de aleación fusible y puede retornar automáticamente y por medio de un elemento de compensación, se pueden realizar ajustes según las variaciones de la temperatura ambiente.

8.- Relé de sobrecarga, térmico, inductivo de aleación fusible

Uno de los inconvenientes de los relés de máxima de aleación fusible y térmicos bimetálicos, es que el uso de un calefactor separado sólo puede permitir ajustes de sobrecarga en incrementos discretos, según los calibres disponibles de calefactores de corrientes. Por estar (algunas veces) al alcance los calefactores de repuesto, ya que las piezas de repuesto se suministran normalmente con el arrancador, es costumbre tener a mano un surtido de calefactores de valores superiores e inferiores al valor de ajuste de la corriente de sobrecarga a la que el calefactor esta calibrado. Para un servicio determinado del motor a veces se desea ajustar un poco mas elevado el valor nominal de la sobrecarga durante una marcha determinada o un funcionamiento particular. Un dispositivo que lo permite es el relé de sobrecarga inductivo de aleación fusible (el tipo llamado inductotérmico), Este relé se acciona según el principio de la inducción de corrientes de Foucault en un cilindro de aleación de cobre y en la aleación fusible a baja temperatura que está en el interior del mismo. El relé solo funciona en corriente continua y se utiliza exclusivamente para la protección de sobrecargas en motores de CA. Como el calor producido en la aleación fusible es proporcional a la densidad de flujo creada por la corriente en la bobina de inducción, se produce una característica de tiempo inverso.

Sus ventajas son (1) para una bobina de una determinada capacidad de corriente, el ajuste de disparo de máxima es regulable sin limitación, y (2) en unión con transformadores de varias tomas de corrientes, el mismo relé de máxima puede ser utilizado para una amplia diversidad de motores de CA, de superior o inferior valor nominal de la corriente de sobrecargas, con las mismas ventajas de ajuste indicadas en (1)

9.- Relé de sobrecargas, térmico, inductivo, bimetálico

La ampliación de la gama de ajuste de sobrecargas de una determinada bobina de máxima también es posible en los relés bimetálicos. Este relé contiene un núcleo de hierro que generalmente es fijo ( aunque han aparecido unos cuanto modelos que también permiten variación), inserto en un manguito de cobre o de latón al que ha sido soldada una armadura bimetálica en palanca. Las corrientes de Focault generadas en el tubo de cobre calientan la palanca bimetálica. Una corriente de sobrecarga produce el calor suficiente para curvar la armadura bimetálica y desplazar los contactos del circuito de carga normalmente cerrados. Generalmente este relé es de reposición automática; pero puede disponerse una reconexión manual. Las ventajas de este relé son las mismas que las indicadas en el párrafo precedente con la ventaja añadida de que es un mecanismo más simple y compacto.

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10.- Dispositivos térmicos auxiliares

El principio bimetálico también se utiliza en un dispositivo denominado termotático o disco térmico. Los contactos del disco están normalmente cerrados a la temperatura usual, y el aparato puede remacharse o soldarse al bastidor o soporte. En el caso de un incremento de la temperatura ambiente a causa de una ventilación deficiente, de una tensión de línea anormal . El disco térmico bimetálico no utiliza ningún tipo de bobinas, pero sus contactos deben ser lo suficientemente grandes en motores pequeños, para interrumpir la corriente de la línea o de inducido.

11.- Relé diferencial

Como el principio de inducción funciona por medio de un equilibrio de la f.m.m y de la corriente en las bobinas principales y en cuadratura del relé, este principio puede emplearse para detectar ligeros desequilibrios en los circuitos de CA. Las dos bobinas principales inferiores son una bobina de suma y una diferencia, respectivamente, a la vez que las bobinas en cuadratura superiores también son una bobina de suma y una de diferencia. La corriente en las bobinas de suma se compensa con la corriente de las bobinas de diferencia. Si las corrientes son equilibradas e iguales, no se produce ningún campo resultante y el disco no girara. El relé diferencial funciona como un relé para cada fase y está conectado para detectar solo un desequilibrio en el interior de la misma máquina, en lugar de detectar un desequilibrio de la corriente de la línea o del sistema.

12.- Interruptor termomagnético:

Un interruptor termomagnético, o disyuntor termomagnético, es un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. Su funcionamiento se basa en dos de los efectos producidos por la circulación de corriente eléctrica en un circuito: el magnético y el térmico (efecto Joule). El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga.

Al circular la corriente el electroimán crea una fuerza que, mediante un dispositivo mecánico adecuado (M), tiende a abrir el contacto C, pero sólo podrá abrirlo si la intensidad I que circula por la carga sobrepasa el límite de intervención fijado. Este nivel de intervención suele estar comprendido entre 3 y 20 veces la intensidad nominal (la intensidad de diseño del interruptor magnetotérmico) y su actuación es de aproximadamente unas 25 milésimas de segundo, lo cual lo hace muy seguro por su velocidad de reacción. Esta es la parte destinada a la protección frente a los cortocircuitos, donde se produce un aumento muy rápido y elevado de corriente.

La otra parte está constituida por una lámina bimetálica que, al calentarse por encima de un determinado límite, sufre una deformación y pasa a la posición señalada en línea de trazos lo que, mediante el correspondiente dispositivo mecánico provoca la apertura del contacto. Esta parte es la encargada de proteger de corrientes que, aunque son superiores a las permitidas por la instalación, no llegan al nivel de intervención del dispositivo magnético. Esta situación es típica de una sobrecarga, donde el consumo va aumentando conforme se van conectando aparatos.

Ambos dispositivos se complementan en su acción de protección, el magnético para los cortocircuitos y el térmico para las sobrecargas. Además de esta desconexión automática, el aparato está provisto de una palanca que permite la desconexión manual de la corriente y el rearme del dispositivo automático cuando se ha producido una desconexión. No obstante, este rearme no es posible si persisten las condiciones de sobrecarga o cortocircuito. Incluso volvería a saltar, aunque la palanca

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estuviese sujeta con el dedo, ya que utiliza un mecanismo independiente para desconectar la corriente y bajar la palanca.

El dispositivo descrito es un interruptor magnetotérmico unipolar, por cuanto sólo corta uno de los hilos del suministro eléctrico. También existen versiones bipolares y para corrientes trifásicas, pero en esencia todos están fundados en los mismos principios que el descrito.

Se dice que un interruptor es de corte omnipolar cuando interrumpe la corriente en todos los conductores activos, es decir las fases y el neutro si está distribuido.

Las características que definen un interruptor termomagnético son el amperaje, el número de polos, el poder de corte y el tipo de curva de disparo.

Cortocircuito:

Se denomina cortocircuito al fallo en un aparato o línea eléctrica por el cual la corriente eléctrica pasa directamente del conductor activo a fase al neutro o tierra, entre dos fases en el caso de sistemas polifásicos en corriente alterna o entre polos opuestos en el caso de corriente directa..

El cortocircuito se produce normalmente por fallos en el aislante de los conductores, cuando estos quedan sumergidos en un medio conductor como el agua o por contacto accidental entre conductores aéreos por fuertes vientos o rotura de los apoyos.

Debido a que un cortocircuito puede causar importantes daños en las instalaciones eléctricas e incluso incendios en edificios, estas instalaciones están normalmente dotadas de fusibles, ITM a fin de proteger a las personas y las cosas.

Por tanto, si la resistencia se disminuye aproximadamente a cero la intensidad de la corriente tiende a infinito. Esta situación se da, por ejemplo, al caer una barra de metal sobre los conductores y formar un puente. En este caso se dice que han quedado "puenteados" el vivo o fase y el neutro del circuito, oponiendo este una resistencia prácticamente igual a 0 al paso de corriente eléctrica.

Joule estableció la relación q = 0,24 R I² t (calorías). Si la corriente adquiere valores excesivos, la cantidad de calor es tal que puede fundir casi instantáneamente un circuito. El cortocircuito puede darse entre vivo y neutro o entre vivo y tierra, ya que este es un buen conductor.

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Guardamotor:

Un guardamotor es un disyuntor magneto térmico, especialmente diseñado para la protección de motores eléctricos. Este diseño especial proporciona al dispositivo una curva de disparo que lo hace más robusto frente a las sobreintensidades transitorias típicas de los arranques de los motores. El disparo magnético es equivalente al de otros interruptores automáticos pero el disparo térmico se produce con una intensidad y tiempo mayores. Las características principales de los guardamotores, al igual que de otros interruptores automáticos magneto-térmicos, son la capacidad de ruptura, la intensidad nominal o calibre y la curva de disparo. Proporciona protección frente a sobrecargas del motor y cortocircuitos, así como, en algunos casos, frente a falta de fase

La necesidad de aparatos de protección contra cortocircuito individuales como los fusibles, se eliminan con las aplicaciones de grupo de motores; esto ahorra tanto en costes de la instalación como espacio en el cuadro.El Control se realiza mediante la operación manual de los contactos; la protección contra sobrecarga se realiza mediante el mecanismo de bimetal regulable.

2.1.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje.

2.2 TEMA 2 – DISPOSITIVOS DE CONTROL DE MOTORES.

Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos.

Son ampliamente utilizados en instalaciones industriales, comerciales y de particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro eléctrico o a baterías. Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de ambos.

Los motores de corriente alterna (CA) y los motores de corriente continua (CD) se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cuál establece que si un conductor por el cual circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético.

El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el estator, el movimiento circular que se observa en el rotor del motor.

Partiendo del hecho de que cuando pasa corriente eléctrica por un conductor se produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado flecha.

Para cada tipo de motor, ya sea de CA o de CD, hay un tipo de control adecuado según las necesidades como puede ser:

Control de Motores de CD con puente H

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Control de Motores de CD con modulación de ancho de pulso (PWM)

Control de Motores de CD con circuitos de retroalimentación.

Arranque y paro de motores de CA con elementos electromecánicos.

Arranque de motores trifásicos con autotransformador y banco de resistencias

Arranque y control electrónico de motores trifásicos con variador de velocidad o elementos electrónicos.

Comenzaremos a ver el control de motores de CA y de CD por medio de diagramas de control y de fuerza, con elementos electromecánicos como son los relevadores, arrancadores, temporizadores, sensores etc.

Los elementos de control básicos son:

Botones pulsadores: son elementos de accionamiento que sirven para cerrar o abrir un circuito permitiendo el paso o no de la corriente a través de ellos.Interruptores de posición o finales de carrera: Este elemento es un interruptor de posición que se utiliza en apertura automática de puertas, como elemento de seguridad, para invertir el sentido de giro de un motor o para pararlo.Detectores inductivos: El Detector Inductivo es un fin de carrera que trabaja exento de roces y sin contactos, no está expuesto a desgastes mecánicos y en general es resistente a los efectos del clima. Su empleo es especialmente indicado allí donde se requieren elevadas exigencias, precisión en el punto de conexión, duración, frecuencia de maniobras, y velocidad de accionamiento.Funcionamiento: El DI es excitado por un campo alterno de alta frecuencia, el cual se origina en la "superficie activa" del DI, la magnitud de este campo alterno determina el "alcance" del aparato. Cuando se aproxima un material buen conductor eléctrico o magnético, el campo se amortigua. Ambos estados (campo amortiguado o no amortiguado) son valorados por el DI y conducen a un cambio de la señal en la salida.Detectores capacitivos: Estos detectores de proximidad capacitivos son interruptores de límite, que trabajan sin roces ni contactos. Pueden detectar materiales de conducción o no conducción eléctrica, que se encuentran en estado sólido, líquido o pulvurento, entre otros: vidrio, cerámica, plástico, madera, aceite, agua, cartón y papel. El detector se conecta cuando él y el material se encuentran uno enfrente del otro a una determinada distancia.Detectores fotoeléctricos: Los DF reaccionan a cambios de la cantidad de luz recibida. El objeto a detectar interrumpe o refleja el haz luminoso emitido por el diodo emisor. Según el tipo de aparato, se evalúa o bien la reflexión del haz luminoso o la interrupción del mismo.La luz del emisor da en un objeto. Ésta se refleja de forma difusa y una parte de la luz alcanza la parte receptora del aparato. Si la intensidad de luz es suficiente, se conecta la salida. La distancia de reflexión depende del tamaño y del color del objeto así como del acabado de la superficie. La distancia de reflexión se puede modificar entre amplios límites mediante un potenciómetro incorporado.Temporizador: Los temporizadores electromecánicos o electrónicos así como su nombre lo dice son mecanismos que funcionan o hacen una operación por cierto tiempo donde el tiempo es ajustado de acuerdo del uso dado. Entre estos existen pequeños dentro de un integrado o grandes para potencia. Arrancadores y relevadores: son elementos electromecánicos que tienen como función principal, al ser energizada su bobina, crear un electroimán que atraerá unos platinos que permiten abrir o cerrar una parte de un circuito, su principal diferencia entre ambos es que los relevadores están diseñados para elementos que consumen menor cantidad de corriente eléctrica y preferentemente cargas resistivas, en cambio los arrancadores están diseñados para soportar altas corrientes como la de

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arranques de motores y las nominales, por lo que el poner en marcha un motor será su principal función.

Para poder representar todos estos elementos es necesario conocer los diagramas de control o de escalera.Los diagramas de escalera o de control es la representación gráfica de los diversos elementos que nos ayudan a controlar elementos eléctricos. El diagrama de escalera se puede representar con simbología americana o europea, aquí se muestran los símbolos más representativos en simbología europea:

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A continuación veremos el método para calcular la corriente de arranque y nominal de los diversos tipos de motores eléctricos:Sabiendo que la potencias de los motores eléctricos se miden en hp (horse power) pero es unidad del sistema inglés por lo que es necesario hacer la conversión de hp- watts1hp =746 W = 0.746 kW

De donde tenemos que:

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A continuación se muestran las tablas de la NOM-001-SEDE-2005 de los valores de corriente permitida para conductores eléctricos, de corrientes nominales de motores eléctricos de 1,2 y 3 fases así como de motores de CD.

TABLA 310-16.- Capacidad de conducción de corriente (A) permisible de conductoresaislados para 0 a 2 000 V nominales y 60 °C a 90 °C. No más de tres conductores portadores de corriente en una

canalización o directamente enterrados, para una temperatura ambiente de 30 °C

Tamaño o Designación

Temperatura nominal del conductor (véase Tabla 310-13)

mm2 AWG okcmil

60 °C 75 °C 90 °C 60 °C 75 °C 90 °C

TIPOSTW*CCE

TWD-UV

TIPOSRHW*,

THHW*, THW*,

THW-LS, THWN*, XHHW*,TT, USE

TIPOSMI,

RHH*,RHW-2, THHN*, THHW*, THHW-

LS, THW-2*, XHHW*, XHHW-2,

USE-2 FEP*, FEPB*

TIPOSUF*

TIPOSRHW*, XHHW*

TIPOSRHW-2, XHHW*,

XHHW-2, DRS

Cobre Aluminio

0,8241,312,083,315,268,37

18161412108

------20*25*3040

------20*25*35*50

141825*30*40*55

------------------

------------------

------------------

13,321,226,733,642,4

64321

55708595

110

6585

100115130

7595110130150

4055657585

50657590100

607585100115

53,567,485,0107

1/02/03/04/0

125145165195

150175200230

170195225260

100115130150

120135155180

135150175205

127152177203253

250300350400500

215240260280320

255285310335380

290320350380430

170190210225260

205230250270310

230255280305350

304355380405458

600700750800900

355385400410435

420460475490520

475520535555585

285310320330355

340375385395425

385420435450480

507633760887

1010

1 0001250150017502000

455495520545560

545590625650665

615665705735750

375405435455470

445485520545560

500545585615630

FACTORES DE CORRECCION

Temperatura ambiente en °C

Para temperaturas ambientes distintas de 30 °C, multiplicar la anterior capacidad de conducción de corriente por el correspondiente factor de los siguientes

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21-2526-3031-3536-4041-4546-5051-5556-6061-7071-80

1,081,000,910,820,710,580,41,,,,,,,,,,,,

1,051,000,940,880,820,750,670,580,33,,,,

1,041,000,960,910,870,820,760,710,580,41

1,081,000,910,820,710,580,41,,,,,,,,,,,,

1,051,000,940,880,820,750,670,580,33,,,,

1,041,000,960,910,870,820,760,710,580,41

*A menos que se permita otra cosa específicamente en otro lugar de esta norma, la protección contra sobrecorriente de los conductores marcados con un asterisco (*), no debe superar 15 A para 2,08 mm2

(14 AWG); 20 A para 3,31 mm2 (12 AWG) y 30 A para 5,26 mm2 (10 AWG), todos de cobre.

Para motores eléctricos se recomienda trabajar en la columna de 750 para que el conductor eléctrico sea el adecuado.

Para la selección de interruptor termomagnético (ITM) a la corriente que leamos en la columna de 75 0

se le considera corriente nominal trifásica, bifásica o monofásica según sea el caso y hay que multiplicarla por 1.5 de manera general, si se trata de un tipo de motor NEMA ya en específico, véase NOM-001-SEDE-2005 art. 430.

Tabla 430-150.- Corriente eléctrica a plena carga de motores trifásicos de c.a.Los siguientes valores de corriente eléctrica a plena carga son típicos para motores que funcionen a

velocidades normales para transmisión por banda y con características de par también normales. Los motores de velocidad especialmente baja o de alto par pueden requerir corrientes a plena carga mayores, y los de velocidades múltiples deben tener una corriente a plena carga que varía con la velocidad; en estos casos debe usarse la corriente a plena carga indicada en la placa de datos. Las tensiones eléctricas listadas son nominales de motores. Las corrientes listadas deben usarse para sistemas de tensiones eléctricas nominales de 110 V hasta 120 V, 220 V hasta 240 V, 440 V hasta 480 V y 550 V hasta 600 V.

kW CP

Motor de inducciónJaula de ardilla y rotor devanado, en amperes

(A)

Motor síncrono, con factor de potencia unitario, en amperes

(A)V

115 200 208 230 460 575 2 300 230 460 575 2 3000,370,560,75

1/23/41

4,46,48,4

2,53,74,8

2,43,54,6

2,23,24,2

1,11,62,1

0,91,31,7

1,121,502,25

1-½23

12,013,6

6,97,8

11,0

6,67,5

10,6

6,06,89,6

3,03,44,8

2,42,73,9

3,755,607,46

57-½10

17,525,332,2

16,724,230,8

15,22228

7,61114

6,19

1111,214,918,7

152025

48,362,178,2

46,259,474,8

425468

212734

172227

53 26 21

22,429,837,3

304050

92120150

88114143

80104130

405265

324152

6383

104

324152

263342

44,856,075,0

6075

100

177221285

169211273

154192248

7796

124

627799

162026

123155202

6178

101

496281

121520

93,0111,9149

125150200

359414552

343396528

312360480

156180240

125144192

313749

253302400

126151201

101121161

253040

187 250 302 242 60

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Asignatura: Control de motores Revisión: 0Cuatrimestre: Segundo Plan de estudios: 2009 Página 77 de 132

224261

300350

361414

289336

7283

298336373

400450500

477515590

382412472

95103118

Para factor de potencia de 90% y 80%, las cantidades anteriores deben multiplicarse por 1,1 y 1,25, respectivamente.

Tabla 430-149.- Corriente a plena carga, en amperes (A), de motoresa dos fases de corriente alterna (c.a.) (cuatro hilos)

Los siguientes valores de corriente eléctrica a plena carga corresponden a motores que funcionan a las velocidades normales de motores con bandas y a motores con par normal. Los motores construidos especialmente para baja velocidad o alto par, pueden tener corrientes eléctricas mayores. Los motores de varias velocidades tienen corriente eléctrica que varía con la velocidad, en cuyo caso se debe utilizar las corrientes eléctricas nominales que indique su placa de características. La corriente eléctrica del conductor común de los sistemas de dos fases tres hilos será de 1,41 veces el valor dado.

Las tensiones eléctricas son las nominales de los motores. Las corrientes eléctricas listadas son las permitidas para instalaciones a 110 V - 120 V, 220 V - 240 V, 440 V - 480 V y 550 V - 600 V y 2 200 V - 2 400 V.

kW CP MOTORES DE INDUCCION DE JAULA DE ARDILLA Y ROTOR DEVANADO, EN AMPERE (A)115 V 230 V 460 V 575 V 2 300 V

0,37 ½ 44.86.4

22.43.2

11.21.6

0,81.01.3

---------

1,12 1 ½ 911.8

4,55.98.3

2,33

4.2

1,82.43.3

---------

3,75 5 ---------

13,21924

6,69

12

5.38

10

---------

11,2 15 ---------

364759

182329

141924

---------

22,4 30 ---------

6990

113

354556

283645

---------

44,8 60 ---------

133166218

6783

109

536687

141823

93,0 125 ---------

270312416

135156208

108125167

283243

TABLA 430-148.- Corriente eléctrica a plena carga, en amperes (A) de motoresmonofásicos de corriente alterna (c.a.)

Los siguientes valores de corriente eléctrica a plena carga son para motores que funcionen a velocidades normales y con características de par también normales. Los motores de velocidad especialmente baja o de alto par motor pueden tener corrientes a plena carga mayores, y los de velocidades múltiples tendrán una corriente a plena carga que varía con la velocidad, en estos casos debe usarse la corriente a plena carga indicada en la placa de datos. Las tensiones eléctricas listadas son nominales de motores. Las corrientes eléctricas listadas deben utilizarse para tensiones eléctricas de sistemas en los intervalos de 110 V hasta 120 V y 220 V hasta 240 V.

kW CP 115 V 127 V 208 V 230 V

0,12 1/6 4,4 4,0 2,4 2,2

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0,190,250,370,560,751,121,502,253,755,607,50

1/41/31/23/41

1-½235

7-½10

5,87,29,8

13,8162024345680

100

5,36,58,9

11,514,018,022,031,051,072,091,0

3,24

5,47,68,811

13,218,730,84455

2,93,64,96,98

101217284050

TABLA 430-147.- Corriente eléctrica a plena carga, en amperes (A) de motoresde corriente continua (c.c.)

kW CP Tensión eléctrica nominal de armadura

120 V 240 V 500 V

0,190,250,370,560,751,121,502,253,755,60

1/41/31/23/41

1-½235

7-½

3,14,15,47,69,5

13,217254058

1,62,02,73,84,76,68,5

12,22029

---------------------------

13,6

7,5011,214,918,722,429,8

101520253040

76---------------

38557289

106140

182734435167

37,344,856,075,093,0120149

506075

100125150200

---------------------

173206255341425506675

8399

123164205246330

* son valores promedio en c.c.

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2.2.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje.

Instrumentos didácticos 2.1., 2.2 y 2.3.

Instrumento de evaluación 2.1, 2.2 y 2.3

2.3 TEMA 3 – CONTROL DE MOTORES DE CA Y CD.

Se denomina arranque de un motor al régimen transitorio en el que se eleva la velocidad del mismo desde el estado de motor detenido hasta el de motor girando a la velocidad de régimen permanente. El conjunto que se pone en marcha es inercial y disipativo, incluyendo en este último concepto a las cargas útiles, pues consumen energía. El estudio del arranque de los motores tiene una gran importancia práctica, ya que la elección correcta de las características de los motores eléctricos y arrancadores a instalar están basados en el conocimiento de las particularidades de éste régimen transitorio.

Recordemos que el comportamiento dinámico del conjunto motor-maquina accionada está regido por la siguiente ecuación diferencial: Tm - Tr = J . dw / dt Donde Tm es el par motor, Tr el par resistente, J es el momento de inercia del conjunto motor-maquina accionada y w es la velocidad angular de dicho conjunto. Por lo tanto, para que el conjunto comience a girar se necesita que el par motor supere al par resistente, de manera de generar una aceleración angular de arranque. El proceso de arranque finaliza cuando se equilibra el par motor con el par resistente, estabilizándose la velocidad de giro del motor. Como la cupla motora es el producto de la corriente absorbida por el flujo del campo magnético, además de un factor que caracteriza al tipo de máquina, este mayor par de arranque generalmente está asociado a una mayor corriente de arranque, la que no debe superar determinado límite por el calentamiento de los conductores involucrados. Aunque se suele enfocar el diseño de estos sistemas de arranque en atención a las corrientes y cuplas involucradas, no deben dejarse de lado otros aspectos que también resultan importantes, como por ejemplo el consumo de energía disipada en forma de calor y las perturbaciones sobre la red de baja tensión. Estas perturbaciones incluyen principalmente las caídas de tensión (muy notables en los elementos de iluminación), que pueden afectar el funcionamiento de otros elementos conectados a la misma, lo que resulta crítico en las instalaciones con muchos motores que realizan frecuentes arranques. Por otro lado, los dispositivos de arranque pueden ser de operación manual o por contactores. Estos últimos permiten efectuar el mando a distancia del motor con cables de secciones pequeñas (sólo se requiere la corriente necesaria para la bobina del contactor), lo que facilita el accionamiento y diseño del dispositivo de control por trabajar con intensidades reducidas. Arranque de motores asincrónicos con rotor en jaulaLos motores de corriente alterna con rotor en jaula de ardilla se pueden poner en marcha mediante los métodos de arranque directo o a tensión reducida (excluimos de esta exposición a los motores monofásicos).

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 En ambos casos, la corriente de arranque generalmente resulta mayor que la nominal, produciendo las perturbaciones comentadas en la red de distribución. Estos inconvenientes no son tan importantes en motores pequeños, que habitualmente pueden arrancar a tensión nominal.La máxima caída de tensión en la red no debe superar el 15% durante el arranque. Los circuitos con motores deben contar con interruptores que corten todas las fases o polos simultáneamente y con protecciones que corten automáticamente cuando la corriente adquiera valores peligrosos. En los motores trifásicos debe colocarse una protección automática adicional que corte el circuito cuando falte una fase o la tensión baje de un valor determinado. Arranque directo de motores asincrónicos con rotor en jaula Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica directamente la tensión nominal a la que debe trabajar. Si el motor arranca a plena carga, el bobinado tiende a absorber una cantidad de corriente muy superior a la nominal, lo que hace que las líneas de alimentación incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una caída de tensión. La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor. Su principal ventaja es el elevado par de arranque: 1,5 veces el nominal. Siempre que sea posible conviene arrancar los motores a plena tensión por la gran cupla de arranque que se obtiene, pero si se tuvieran muchos motores de media y gran potencia que paran y arrancan en forma intermitente, se tendrá un gran problema de perturbaciones en la red eléctrica. Por lo tanto, de existir algún inconveniente, se debe recurrir a alguno de los métodos de arranque por tensión reducida que se describen a continuación.

Arranque a tensión reducida de motores asincrónicos con rotor en jaula Este método se utiliza para motores que no necesiten una gran cupla de arranque. El método consiste en producir en el momento del arranque una tensión menor que la nominal en los arrollamientos del motor. Al reducirse la tensión se reduce proporcionalmente la corriente, la intensidad del campo magnético y la cupla motriz. Entre los métodos de arranque por tensión reducida más utilizados podemos mencionar el de arrancador estrella-triángulo, el de autotransformador de arranque y el de arrancador electrónico. Arranque de motores asincrónicos con rotor en jaula por conmutación estrella-triángulo El arranque estrella-triángulo es el procedimiento más empleado para el arranque a tensión reducida debido a que su construcción es simple, su precio es reducido y tiene una buena confiabilidad. El procedimiento para reducir la tensión en el arranque consiste en conmutar las conexiones de los arrollamientos en los motores trifásicos previstos para trabajar conectados en triángulo en la red de 3 x 380 V. Los bobinados inicialmente se conectan en estrella, o sea que reciben la tensión de fase de 220 V, y luego se conectan en triángulo a la tensión de línea de 380 V; es decir que la tensión durante el arranque se reduce 1,73 veces.

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 Por ser ésta una relación fija, y dado que la influencia de la tensión sobre la corriente y la cupla es cuadrática, tanto la corriente como el par de arranque del motor se reducen en tres veces. Además, es necesario que el motor esté construido para funcionar en triángulo con la tensión de la línea (380 / 660 V). Si no es así, no se lo puede conectar.Además el estator debe tener sus seis bornes accesibles (situación que no se da en todos los motores, como por ejemplo en las bombas sumergibles). Para ello se abren los circuitos de las bobinas del estator y se las conecta al conmutador. En este caso al motor ingresan 6 cables, más el de puesta a tierra. La conmutación de estrella a triángulo generalmente se hace en forma automática luego de transcurrido un lapso (que puede regularse) en el que el motor alcanza determinada velocidad. En el caso más simple tres contactores realizan la tarea de maniobrar el motor, disponiendo de enclavamientos adecuados. La protección del motor se hace por medio de un relé térmico. El térmico debe estar colocado en las fases del motor. La regulación del mismo debe hacerse a un valor que resulta de multiplicar la corriente de línea por 0,58. La protección del circuito más adecuada también es el fusible. Algunas indicaciones que se deben tener en cuenta sobre el punto de conmutación son: el pico de corriente que toma el motor al conectar a plena tensión (etapa de triángulo) debe ser el menor posible; por ello, la conmutación debe efectuarse cuando el motor esté cercano a su velocidad nominal (95% de la misma), es decir cuando la corriente de arranque baje prácticamente a su valor normal en la etapa de estrella.Asimismo, el relé de tiempo debe ajustarse para conmutar en este momento, no antes ni mucho después. Habitualmente, un arranque normal puede durar hasta 10 segundos, si supera los 12 segundos se debe consultar al proveedor del equipo. Si no se cumple con lo anterior, el pico de corriente que se produce al pasar a la etapa de triángulo es muy alto, perjudicando a los contactores, al motor y a la máquina accionada. El efecto es similar al de un arranque directo. Finalmente digamos que el dispositivo estrella-triángulo tiene el inconveniente de que la cupla de arranque que se obtiene a veces no es suficiente para hacer arrancar máquinas con mucho momento de inercia, en cuyo caso se utilizan los dos métodos que se describen a continuación. Ambos permiten conectar motores trifásicos con motor de jaula, los cuales traccionan, por ejemplo, bombas sumergibles. Arranque de motores asincrónicos con rotor en jaula por autotransformador de arranque El autotransformador de arranque es un dispositivo similar al estrella-triángulo, salvo por el hecho de que la tensión reducida en el arranque se logra mediante bobinas auxiliares que permiten aumentar la tensión en forma escalonada, permitiendo un arranque suave. Su único inconveniente es que las conmutaciones de las etapas se realizan bruscamente, produciendo en algunas ocasiones daños perjudiciales al sistema mecánico o a la máquina accionada. Por ejemplo, desgaste prematuro en los acoplamientos (correas, cadenas, engranajes o embragues de acoplamiento) o en casos extremos roturas por fatiga del eje o rodamientos del motor, producidos por los grandes esfuerzos realizados en el momento del arranque. Una variante menos usada es la conexión Kusa, en la que durante el proceso de arranque se intercala una resistencia en uno de los conductores de línea. Arranque de motores asincrónicos con rotor en jaula por dispositivos electrónicos 

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Los arrancadores electrónicos son una mejor solución que los autotransformadores gracias a la posibilidad de su arranque suave, permitiendo un aumento en la vida útil de todas las partes involucradas. Los mismos consisten básicamente en un convertidor estático alterna-continua-alterna ó alterna-alterna, generalmente de tiristores, que permiten el arranque de motores de corriente alterna con aplicación progresiva de tensión, con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque. En algunos modelos también se varía la frecuencia aplicada. Al iniciar el arranque, los tiristores dejan pasar la corriente que alimenta el motor según la programación realizada en el circuito de maniobra, que irá aumentando hasta alcanzar los valores nominales de la tensión de servicio. La posibilidad de arranque progresivo, también se puede utilizar para detener el motor, de manera que vaya reduciendo la tensión hasta el momento de la detención Estos arrancadores ofrecen selección de parada suave, evitando por ejemplo, los dañinos golpes de ariete en las cañerías durante la parada de las bombas; y detención por inyección de corriente continua para la parada más rápida de las masas en movimiento. Además poseen protecciones por asimetría, contra sobre temperatura y sobrecarga, contra falla de tiristores, vigilancia del tiempo de arranque con limitación de la corriente, control de servicio coninversión de marcha, optimización del factor de potencia a carga parcial, maximizando el ahorro de energía durante el proceso y permiten un ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes. Arranque de motores asincrónicos con rotor bobinado En un motor asincrónico, la velocidad a la que se produce la máxima cupla es función de la resistencia del circuito rotórico. En particular, la máxima cupla de arranque se tiene cuando dicha resistencia es aproximadamente igual a la reactancia del motor. En los motores de corriente alterna con rotor bobinado, para efectuar el proceso de puesta en marcha se instala un reóstato de arranque conectado a los anillos rozantes del motor de manera de aumentar a voluntad la resistencia rotórica total. En este método, el motor arranca con toda la resistencia en serie con el circuito del rotor. Luego por medios manuales o automáticos, en forma continua o escalonada, se va reduciendo la resistencia a medida que la máquina gana velocidad, hasta que en régimen permanente el reóstato queda en cortocircuito. Cabe acotar que se construyen rotores tipo jaula del tipo de ranura profunda que producen una cupla de arranque algo similar a la de un rotor bobinado con reóstato de arranque. En el momento del arranque la circulación de corrientes secundarias localizadas en las cercanías del entrehierro tienen una mayor densidad de corriente, bloqueando el flujo magnético hacia el interior del núcleo, por lo que el conjunto se comporta como si tuviera mayor resistencia efectiva. Al aumentar la velocidad, disminuye la frecuencia secundaria y cesa ese efecto transitorio. Arranque de motores sincrónicos Una máquina sincrónica "pura" no tiene par de arranque. Por lo tanto, en general se fabrican de forma de que pueda desarrollar un suficiente par de inducción para el arranque por medio de jaulas auxiliares, hasta una velocidad próxima al sincronismo en la que la corriente de excitación desarrolle un par de sincronización conveniente. En algunos casos, las corrientes parásitas en los polos proveen

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el par asincrónico suficiente para el arranque, pero en otros casos debe instalarse un bobinado especial. Las formas de arranque son semejantes a las del motor asincrónico, aunque se suele conectar una resistencia intercalada en el bobinado de excitación, para evitar sobretensiones en los terminales cuando hay movimiento relativo entre el flujo del inducido y el bobinado del campo. Si el campo del motor es excitado por rectificadores, esta tensión inducida podría producir una componente de continua y un par pulsatorio, que podría causar transtornos en el arranque.

Arranque de motores de corriente continua Con los medios de rectificación de que se dispone actualmente resulta fácil y práctico la utilización de motores de corriente continua, debido a la facilidad que tienen para arrancar y regular su velocidad.En la práctica se utilízan diversos motores de corriente continua como:  -De excitación independiente.-De excitación serie / universal.-De excitación derivación (shunt).-De excitación compuesta en conexión adicional (compound).-De imanes permanentes.-Especiales.

Motor de excitación independiente  -Par de arranque muy elevado.-Fácil control de velocidad en forma automática.-Requiere reóstato de arranque.-Se utiliza en motores pequeños. Motor de excitación serie -Par de arranque muy elevado.-Difícil control de velocidad.-Requiere reóstato de arranque.-Se utiliza para tracción eléctrica. Motor con excitación derivación (shunt) -Par de arranque menor que en el motor serie.-Muy estable.-Requiere reóstato de arranque en el inducido.-Utilizado en máquinas herramientas. Motor con excitación compuesta -Par de arranque más elevado que el motor en derivación.-Muy estable.-Requiere reóstato de arranque en el inducido.-Utilizado en máquinas herramientas y para tracción. En estos motores la FEM en reposo es cero, y por consiguiente, la corriente y el par de arranque sólo quedan limitados por la resistencia del circuito de inducido. 

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Los motores de corriente continua pueden arrancar por diferentes procedimientos actuando sobre la tensión. Los más utilizados son el reóstato de regulación y los dispositivos electrónicos de rectificación controlada. Arranque de motores de corriente contínua por reóstatos Los reóstatos se conectan en serie con el inducido, de manera de producir una caída que disminuya la tensión efectivamente aplicada sobre el mismo. En el caso del motor derivación, se deduce que conservando constantes el flujo y la tensión total, la pendiente de la característica velocidad / par es proporcional a la resistencia del circuito de inducido. Aumentando esta resistencia, la característica cortará al eje de velocidad cero en un punto de menor par (y corriente) de arranque. Por su parte en el caso del motor serie el efecto de la resistencia adicional es semejante, obteniéndose un determinado par de arranque con una sobrecorriente menor que en el motor derivación, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de tracción. Arranque de motores de corriente continua por dispositivos electrónicos En estos arrancadores el equipo electrónico, generalmente de tiristores, recibe un suministro decorriente alterna monofásica o trifásica y lo convierte en un suministro de tensión continua variable, que permiten el arranque con aplicación progresiva de tensión, con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque. Finalmente digamos que muchas veces el criterio de selección entre el uso de los distintos sistemas de arranque pasa fundamentalmente por una consideración de tipo técnico-económica.

2.4 TEMA 4 – DISPOSITIVOS ARRANQUE A TENSIÓN REDUCIDA.

Cuando los motores jaula de ardilla son arrancados a tensión plena provocan corrientes de hasta 600% de la Corriente nominal y altos pares de hasta 150% del valor nominal, estos altos valores de corriente y par pueden causar problemas en la línea de alimentación, en la máquina controlada o en el material en proceso.Los arrancadores a tensión reducida (ATR) tipo auto transformador están diseñados para reducir la tensión en las terminales del motor durante el arranque, en consecuencia la corriente se reduce en proporción al cuadrado del porcentaje de esta reducción, evitándose con esto que la corriente y el par durante el arranque alcancen valores que puedan causar fluctuaciones perjudiciales. Este tipo de arrancadores aplican una tensión reducida al motor por medio de un auto transformador con derivaciones para permitir el arranque del motor al 50%, 65 y 80% de la tensión de línea.

Un autotransformador es una máquina eléctrica, de construcción y características similares a las de un transformador, pero que a diferencia de éste, sólo posee un único devanado alrededor del núcleo. Dicho devanado debe tener al menos tres puntos de conexión eléctrica, llamados tomas. La fuente de tensión y la carga se conectan a dos de las tomas, mientras que una toma (la del extremo del devanado) es una conexión común a ambos circuitos eléctricos (fuente y carga). Cada toma corresponde a un voltaje diferente de la fuente (o de la carga, dependiendo del caso).

En un autotransformador, la porción común (llamada por ello "devanado común") del devanado único actúa como parte tanto del devanado "primario" como del "secundario". La porción restante del devanado recibe el nombre de "devanado serie" y es la que proporciona la diferencia de voltaje entre ambos circuitos, mediante la adición en serie (de allí su nombre) con el voltaje del devanado común.

Se aplica a motores cuya potencia nominal es mayor que 5KW.

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Como ya se vio en el tema anterior la corriente de arranque depende de la tensión de alimentación del motor. Si disminuimos la tensión de alimentación en el momento del arranque, reduciremos la corriente de arranque. Una vez que el motor alcance una determinada velocidad, se procede a restablecer la tensión nominal de alimentación.

PROCEDIMIENTO: se conecta un autotransformador trifásico alimentando al motor con una tensión de estator menor de la tensión de alimentación de tal forma que la intensidad de arranque sea la deseada. Cuando el motor alcanza las condiciones de funcionamiento se desconecta el autotransformador y sealimenta al motor a su tensión de alimentación. Este proceso suele hacerse en dos o tres pasos con tensiones no inferiores al 50, 65 y 80 % de la tensión de alimentación nominal.Este método de arranque presenta los siguientes inconvenientes:• Disminuye el par de arranque al disminuir la tensión de alimentación en un factor de x2,siendo x el factor de reducción de la tensión de alimentación• El motor se deja de alimentar durante el cambio de una tensión a otra.• Aumenta el tiempo de arranque.

ARRANQUE POR CAMBIO DE LA CONEXIÓN DE LOS DEVANADOS INDUCTORESEN EL MOMENTO DEL ARRANQUE. ARRANQUE ESTRELLA-TRIÁNGULO.

Este método de arranque se puede aplicar tanto a motores de rotor devanado como a motores de

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rotor en jaula de ardilla, la única condición que debe de cumplir el motor para que pueda aplicárseleeste método de arranque es que tenga acceso completo a los devanados del estator (6 bornes deconexión).

PROCEDIMIENTO: consiste en aplicar en el arranque la tensión nominal del motor en laconexión de triángulo cuando éste está conectado en estrella, con lo que la tensión de alimentaciónse reduce en √3 y el par de arranque en 1/3. Una vez que el motor ha empezado a girar (se aconsejano pasar de la conexión estrella a la conexión triángulo hasta que el motor no haya adquirido, almenos, una velocidad del 80% de la nominal), se conmuta la conexión de los devanados a triángulo,con lo que se le está aplicando la tensión nominal de alimentación.La corriente de arranque se reduce en 1/√3= 0.6 en relación con la corriente de arranque directo.Este método presenta los siguientes inconvenientes:• Disminuye el par de arranque al disminuir la tensión de alimentación en un factor de1/3.• El motor se deja de alimentar durante el cambio de la conexión de estrella a triánguloen los devanados del estator.• Aumenta el tiempo de arranque.En las figuras que se adjuntan a continuación puede analizarse este método de arranque de losmotores asíncronos trifásicos. Las diferentes implementaciones que se proponen están realizadascon automatismos eléctricos (relés, pulsadores, temporizadores, contactores y sus contactos

auxiliares.

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2.4.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje.

Instrumento didáctico 2.4

Instrumento de evaluación 2.4

2.5 TEMA 5 – CONTROL DE MOTORES A PASOS.

Los motores a pasos son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.

La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.

Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

Principio de funcionamientoBásicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

Rotor de motor a pasos Estator de 4 bobinas

Motor unipolar Motor bipolar

Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (ver figura 1). Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. En figura 3 podemos apreciar un

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ejemplo de control de estos motores mediante el uso de un puente en H. Como se aprecia, será necesario un puente H por cada bobina del motor, es decir que para controlar un motor a Pasos de 4 cables (dos bobinas), necesitaremos usar dos puentes H iguales al de la figura 3 . El circuito de la figura 3 es a modo ilustrativo y no corresponde con exactitud a un puente H. En general es recomendable el uso de puente H integrados como son los casos del L293 (ver figura 3 bis).

Unipolar: Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno (ver figura 2). Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar. En la figura 4 podemos apreciar un ejemplo de conexionado para controlar un motor paso a paso unipolar mediante el uso de un ULN2803, el cual es un arreglo de 8 transistores tipo Darlington capaces de manejar cargas de hasta 500mA. Las entradas de activación (Activa A, B , C y D) pueden ser directamente activadas por un microcontrolador.

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Secuencias para manejar motores a pasos Bipolares

Como se dijo anteriormente, estos motores necesitan la inversión de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversión de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo sentido de giro está determinado por la secuencia seguida.

A continuación se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores a pasos del tipo Bipolares:

PASO       TERMINALES

  A B C D

1 +V -V +V -V

2 +V -V -V +V

3 -V +V -V +V

4 -V +V +V -V

Secuencias para manejar motores a pasos Unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores, las cuales se detallan a continuación. Todas las secuencias comienzan nuevamente por el paso 1 una vez alcanzado el paso final (4 u 8). Para revertir el sentido de giro, simplemente se deben ejecutar las secuencias en modo inverso.

Secuencia Normal: Esta es la secuencia más usada y la que generalmente recomienda el fabricante. Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas, se obtiene un alto torque de paso y de retención.

Cabe destacar que debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. En tal sentido el motor debe alcanzar el paso antes que la

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próxima secuencia de pulsos comience. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar en alguna de las siguientes formas:

Puede que no realice ningún movimiento en absoluto. Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar. Puede girar erráticamente. O puede llegar a girar en sentido opuesto.

Para obtener un arranque suave y preciso, es recomendable comenzar con una frecuencia de pulso baja y gradualmente ir aumentándola hasta la velocidad deseada sin superar la máxima tolerada. El giro en reversa debería también ser realizado previamente bajando la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de rotación.

 Una referencia importante:

Cuando se trabaja con motores a pasos usados o bien nuevos, pero de los cuales no tenemos hojas de datos. Es posible averiguar la distribución de los cables a los bobinados y el cable común en un motor de paso unipolar de 5 o 6 cables siguiendo las instrucciones que se detallan a continuación:

     

1. Aislando el cable(s) común que va a la fuente de alimentación: Como se aprecia en las figuras anteriores, en el caso de motores con 6 cables, estos poseen dos cables comunes, pero generalmente poseen el mismo color, por lo que lo mejor es unirlos antes de comenzar las pruebas.

Usando un multímetro para checar la resistencia entre pares de cables, el cable común será el único que tenga la mitad del valor de la resistencia entre ella y el resto de los cables. 

Esto es debido a que el cable común tiene una bobina entre ella y cualquier otro cable, mientras que cada uno de los otros cables tienen dos bobinas entre ellos. De ahí la mitad de la resistencia medida en el cable común.

2. Identificando los cables de las bobinas (A, B, C y D): aplicar un voltaje al cable común  (generalmente 12 volts, pero puede ser más o menos) y manteniendo uno de los otros cables a tierra (GND) mientras vamos poniendo a tierra cada uno de los demás cables de forma alternada y observando los resultados.

Identificando los cables en Motores P-P Bipolares:

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Para el caso de motores pasos bipolares (generalmente de 4 cables de salida), la identificación es más sencilla. Simplemente tomando un multímetro en modo ohmetro, podemos hallar los pares de cables que corresponden a cada bobina, debido a que entre ellos deberá haber continuidad (en realidad una resistencia muy baja). Luego solo deberemos averiguar la polaridad de la misma, la cual se obtiene fácilmente probando. Es decir, si conectado de una manera no funciona, simplemente damos vuelta los cables de una de las bobinas y entonces ya debería funcionar correctamente. Si el sentido de giro es inverso a lo esperado, simplemente se deben invertir las conexiones de ambas bobinas y el H-Bridge.

 Para recordar

Un motor a pasos con 5 cables es casi seguro de 4 fases y unipolar. Un motor a pasos con 6 cables también puede ser de 4 fases y unipolar, pero con 2 cables comunes para alimentación. Pueden ser del mismo color. Un motor a pasos con solo 4 cables es comúnmente bipolar.

2.5.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje.

NO APLICA

2.6 TEMA 6 – CONTROL DE SERVOMOTORES.

Introducción:

Los servos son un tipo especial de motor de c.c. que se caracterizan por su capacidad para posicionarse de forma inmediata en cualquier posición dentro de su intervalo de operación. Para ello, el servomotor espera un tren de pulsos que se corresponde con el movimiento a realizar. Están generalmente formados por un amplificador, un motor, un sistema reductor formado por ruedas dentadas y un circuito de realimentación, todo en un misma caja de pequeñas dimensiones. El resultado es un servo de posición con un margen de operación de 180° aproximadamente.

  

Se dice que el servo es un dispositivo con un eje de rendimiento controlado ya que puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que exista una señal codificada en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señala codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia. En la práctica, se usan servos

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para posicionar elementos de control como palancas, pequeños ascensores y timones. También se usan en radio-control, marionetas y, por supuesto, en robots. Los Servos son sumamente útiles en robótica. Los motores son pequeños. Un motor como el de las imágenes superiores posee internamente una circuitería de control y es sumamente potente para su tamaño. Un servo normal o estándar como el HS-300 de Hitec proporciona un par de 3 kg·cm a 4.8 V, lo cual es bastante para su tamaño, sin consumir mucha energía. La corriente que requiere depende del tamaño del servo. Normalmente el fabricante indica cual es la corriente que consume. Eso no significa mucho si todos los servos van a estar moviéndose todo el tiempo. La corriente depende principalmente del par, y puede exceder un amperio si el servo está enclavado

Composición del servo

En la siguiente figura se muestra la composición interna de un servomotor. Se puede observar el motor, la circuitería de control, un juego de piñones, y la caja. También se pueden ver los 3 cables de conexión externa:

uno (rojo) es para alimentación, Vcc (~ +5volts); otro (negro) para conexión a tierra (GND); el último (blanco o amarillo) es la línea de control por la que se le envía la señal codificada

para comunicar el ángulo en el que se debe posicionar.

Servomotor desmontado

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Detalle del tren de engranajes Detalle del circuito de realimentación

El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro conectado al eje central del motor. En la figura superior se puede observar a la derecha. Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es correcto, el motor volverá a la dirección correcta, hasta llegar al ángulo que es correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante. 

Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. Un servo normal no es mecánicamente capaz de retornar a su lugar, si hay un mayor peso que el sugerido por las especificaciones del fabricante.

El voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor girará a menor velocidad. A esto se le denomina control proporcional.

Funcionamiento del servo. Control PWM

El dispositivo utiliza un circuito de control para realizar la ubicación del motor en un punto, consistente en un controlador proporcional.

El punto de referencia o setpoint —que es el valor de posición deseada para el motor— se indica mediante una señal de control cuadrada. El ancho de pulso de la señal indica el ángulo de posición: una señal con pulsos más anchos (es decir, de mayor duración) ubicará al motor en un ángulo mayor, y viceversa.

Inicialmente, un amplificador de error calcula el valor del error de posición, que es la diferencia entre la referencia y la posición en que se encuentra el motor. Un error de posición mayor significa que hay una diferencia mayor entre el valor deseado y el existente, de modo que el motor deberá rotar más rápido para alcanzarlo; uno menor, significa que la posición del motor está cerca de la deseada por el usuario, así que el motor tendrá que rotar más lentamente. Si el servo se encuentra en la posición deseada, el error será cero, y no habrá movimiento.1

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Para que el amplificador de error pueda calcular el error de posición, debe restar dos valores de voltaje analógicos. La señal de control PWM se convierte entonces en un valor analógico de voltaje, mediante un convertidor de ancho de pulso a voltaje. El valor de la posición del motor se obtiene usando un potenciómetro de realimentación acoplado mecánicamente a la caja reductora del eje del motor: cuando el motor rote, el potenciómetro también lo hará, variando el voltaje que se introduce al amplificador de error.

Una vez que se ha obtenido el error de posición, éste se amplifica con una ganancia, y posteriormente se aplica a los terminales del motor.

La modulación por anchura de pulso, PWM (Pulse Width Modulation), es una de los sistemas más empleados para el control de servos. Este sistema consiste en generar una onda cuadrada en la que se varía el tiempo que el pulso está a nivel alto, manteniendo el mismo período (normalmente), con el objetivo de modificar la posición del servo según se desee.

Para la generación de una onda PWM en un microcontrolador, lo más habitual es usar un timer y un comparador (interrupciones asociadas), de modo que el microcontrolador quede libre para realizar otras tareas, y la generación de la señal sea automática y más efectiva. El mecanismo consiste en programar el timer con el ancho del pulso (el período de la señal) y al comparador con el valor de duración del pulso a nivel alto. Cuando se produce una interrupción de overflow del timer, la subrutina de interrupción debe poner la señal PWM a nivel alto y cuando se produzca la interrupción del comparador, ésta debe poner la señal PWM a nivel bajo. En la actualidad, muchos microcontroladores, como el 68HC08, disponen de hardware específico para realizar esta tarea, eso sí, consumiendo los recursos antes mencionados (timer y comparador).

PWM para recorrer todo el rango de operación del servo

El sistema de control de un servo se limita a indicar en que posición se debe situar. Esto se lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duración del pulso indica el ángulo de giro del motor. Cada servo tiene sus márgenes de operación, que se corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que el servo entiende. Los valores más generales se corresponden con pulsos de entre 1 ms y 2 ms de anchura, que dejarían al motor en ambos extremos (0º y 180º). El valor 1.5 ms indicaría la posición central o neutra (90º), mientras que otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Estos valores suelen ser los recomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 ms o mayores de 2 ms, pudiéndose conseguir ángulos mayores de 180°. Si se sobrepasan los límites de movimiento del servo, éste comenzará a emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. El factor limitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos constructivos.

El período entre pulso y pulso (tiempo de OFF) no es crítico, e incluso puede ser distinto entre uno y otro pulso. Se suelen emplear valores ~ 20 ms (entre 10 ms y 30 ms). Si el intervalo entre pulso y pulso es inferior al mínimo, puede interferir con la temporización interna del servo, causando un zumbido, y la vibración del eje de salida. Si es mayor que el máximo, entonces el servo pasará a estado dormido entre pulsos. Esto provoca que se mueva con intervalos pequeños.

Es importante destacar que para que un servo se mantenga en la misma posición durante un cierto tiempo, es necesario enviarle continuamente el pulso correspondiente. De este modo, si existe alguna

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fuerza que le obligue a abandonar esta posición, intentará resistirse. Si se deja de enviar pulsos (o el intervalo entre pulsos es mayor que el máximo) entonces el servo perderá fuerza y dejará de intentar mantener su posición, de modo que cualquier fuerza externa podría desplazarlo.

Tren de pulsos para control del servo

Otra posibilidad de pulsos de control

Observaciones:

Lo que hacen algunos es quitar el tope mecánico que llevan las reductoras en alguna corona y cambiar el potenciómetro (que aquí actúa como sensor para indicar la posición en la que está el motor) por un par de resistencias fijas para "engañar" a la electrónica haciéndole ver que no

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ha alcanzado aún la posición deseada, con lo que el pobre motor, siguiendo esa consigna, gira y gira intentando llegar a la posición, que no se da cuenta que alcanza. Se supone (es que esto no lo he probado) que el control que llevan los servos está preparado de tal manera que cuando se determina llegar a una posición cercana la velocidad es baja. Por el contrario, si se indica una posición que queda lejos de la actual, lo hace más rápidamente. Así puedes "ajustar" la velocidad de los motores.

Otra de las grandes utilidades del PWM es la de gestionar la velocidad de cualquier tipo de motor, sin ningún tipo de electrónica, (salvo para la etapa de potencia, que se puede utilizar algún transistor MOSFET de potencia, como el BUK10 ó el BUK11, con los que podemos controlar poniendo la salida del micro, directamente a la puerta del MOSFET. Ambos TRT gestionan mas de 20 Amperios, con unas resistencias de canal de 0.03. Para mejorar el rendimiento se coloca una resistencia entre el surtidor y la puerta de 1K, para descargar la carga parásita). El principio es el siguiente, si tu alimentas un motor con una señal de pulsos de suficiente frecuencia, el motor no nota las variaciones (actúa como un filtro) y saca un giro constante. La gracia, es que variando el % de tiempo de la señal rectangular en alta, y en baja, variamos la potencia que le entregamos al motor, con lo que controlamos la velocidad de giro con mucha precisión. Nota: Si el micro lo permite, a mayor frecuencia de PWM, mejor rendimiento saca el motor.

Circuito driver del Servo

La que se proporciona aquí es una versión. Puede usarse para jugar con servos, para verificar que funcionan, o para conectarle servos a un Robot. Lo primero para este montaje es encontrar los pulsos requeridos con un osciloscopio para programarlo en un microcontrolador.

 

Se usa un integrado "Timer" 555. El nombre usual es NE555 o LM555, pero casi todos fabricantes de IC´s lo han hecho. A veces también es listado como 7555. Este circuito se encuentra en las hojas de datos de los manuales ECG, National, Motorola u otros, con los valores de resistencias/condensadores calculados con las fórmulas precisas. La única diferencia es la presencia del potenciómetro P1, que cambia el tiempo cuando se gira..

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La señal de salida del 555 (pin3) tiene polaridad opuesta. Para invertirla, es necesario el transistor. Éste se conecta en configuración "colector común" y se usa en modo de saturación. Se podría usar cualquier transistor npn de baja señal para trabajar sin problemas (por ejemplo, un C1959Y).

Servos digitales

Los servos digitales son similares a los servos convencionales (analógicos), pero cuentan con ciertas ventajas como lo son un mayor par, una mayor precisión, un tiempo de respuesta menor, y la posibilidad de modificar parámetros básicos de funcionamiento —ángulos máximo y mínimo de trabajo, velocidad de respuesta, sentido de giro y posición central, entre otros—. Además de un mayor costo, tienen la desventaja de que requieren más energía para su funcionamiento, lo cual es crítico cuando se utilizan en aplicaciones que requieren el máximo ahorro de energía posible, tales como robots robustos o aviones radiocontrolados.

Realizar el instrumento didáctico 2.5.

2.6.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje.

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3 UNIDAD TEMÁTICA III – ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Resultado del aprendizaje.

Elaborará simulaciones de topologías de fuentes conmutadas e inversores.

Entregará reporte de resultados de conexiones, formas de onda y graficas de voltaje y corriente.

Entregará resultados de la selección de fuente conmutada.

3.1 TEMA 1 – TIRISTORES Y DISPOSITIVOS DE CONMUTACIÓN.

Dispositivos de Electrónica de Potencia

Introducción:

Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunión o UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodo Shockley.

Existen tiristores de características especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO).

Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la caída de tensión entre los electrodos principales.

El componente básico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos :

Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conducción).

Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequeña potencia.

Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando está en estado de bloqueo, con pequeñas caídas de tensión entre sus electrodos, cuando está en estado de conducción. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias.

Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.

El último requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habrá una mayor disipación de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.

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Aplicaciones :

Tracción eléctrica: troceadores y convertidores.

Industria:

o Control de motores asíncronos.

o Inversores.

o Caldeo inductivo.

o Rectificadores.

o Etc.

A continuación se describen los principales dispositivos de Electrónica de Potencia

El TiristorUn tiristor es un rectificador controlado, donde la corriente que circula de forma unidireccional desde el ánodo al cátodo, esta circulación de corriente es iniciada por una corriente pequeña de señal desde la puerta al cátodo.

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Disparo del tiristorUn tiristor es encendido haciendo su puerta positiva con el respecto a su cátodo, esto hace que circule corriente en la compuerta.Cuando el voltaje de puerta alcanza el voltaje de umbral VGT, hace que la corriente de compuerta IGT, llegue al valor umbral dentro de un tiempo muy corto conocido como “tiempo de encendido, controlado por compuerta”, tgt, la corriente de carga puede fluir desde ’a’ a ’k’. Si la corriente de puerta consiste de un pulso muy estrecho, por ejemplo menos de 1ms, su nivel de pico tendrá que aumentar para anchos de pulso progresivamente más estrechos para garantizar el disparo efectuado de esta manera.Cuando la corriente de carga aumente, hasta el valor de corriente de enganche (latching) del tiristor, la corriente de carga se mantendrá pareja después de la remoción de la corriente de puerta. Mientras la corriente adecuada de carga continúa circulando, el tiristor continuará conduciendo, sin la corriente de puerta. Esto es lo que denominamos tiristor disparado.Nótese que el valor de VGT, IGT e IL de especificaciones dadas en datos están a 25 °C. Estosparámetros aumentarán a temperaturas más bajas, así también el circuito de disparo debe proveer voltaje adecuado, corriente y duración para la temperatura de funcionamiento más baja.

1º REGLA. Para disparar un tiristor (o triac), una corriente de compuerta / IGT debe aplicarse hasta que la corriente de carga sea / IL. Esta condición debe encontrarse también al bajar la temperatura de funcionamiento esperada.

El tiristores de puerta sensible (sensitive gate), tal como el BT150 puede ser proclive a dispararse por corriente de fuga (ánodo a cátodo), a altas temperaturas. Si la temperatura de juntura TJ es incrementada por encima de Tjmax, en este punto las corrientes de fuga son tales que pueden alcanzar la corriente de disparo del tiristor o triac. Por lo cual puede ser conveniente su reemplazo o bien tener en cuenta este efecto al momento de su utilización.Para resolver los problemas de los disparos no deseados (espurios o aleatorios) se pueden seguiralgunos de los siguientes métodos:1- Asegurar que la temperatura no exceda a Tjmax.2- Utilizar un tiristor con compuerta menos sensible por ejemplo el BT151, o reducir la sensibilidad del tiristor existente por una resistencia de 1kohm o menor entre el cátodo y la compuerta (resistencia de desensibilización).3- Si esto no es posible utilizar un tiristor de menor sensibilidad en compuerta, aplicar en la compuerta una pequeña señal negativa durante los periodos de inactividad del tiristor en cuestión. Esta señal tiene el efecto de incrementar IL Durante la circulación de corriente negativa, debe tenerse una particular atención a fin de minimizar la potencia disipada en compuerta.

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Apagado (conmutación).Para apagar al tiristor, la corriente de carga debe reducirse por debajo de la IH (corriente de mantenimiento), por el tiempo suficiente para permitir a todos los portadores evacuar la juntura. Esto es logrado por "conmutación forzada" en circuitos CC o al final del hemiciclo de conducción en circuitos de CA. (La conmutación forzada es cuando la corriente de carga neta del circuito ocasiona que la misma se haga cero de forma tal, que el tiristor se apague). A este punto, el tiristor habrá vuelto totalmente a su estado bloqueando.Si la corriente de carga no es mantenida por debajo de IH por el tiempo suficiente, el tiristor no habrá vuelto totalmente al estado bloqueando, y cuando la tensión ánodo – cátodo suba nuevamente, el tiristor podrá volver al estado de conducción sin excitación de puerta.Note que esta IH se especifica también a la temperatura de sala, y reduce a altas temperaturas. Por lo tanto el circuito debe permitir tiempo suficiente para la corriente de carga caiga por debajo de IH a l máxima temperatura esperada, para una conmutación exitosa.

TRIAC

            El TRIAC  (Triode for Alternative Current) es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El TRIAC puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa.

                                      Figura 1: Símbolo del TRIAC.

En la Figura 1 se muestra el símbolo esquemático e identificación de las terminales de un triac, la nomenclatura Ánodo 2 (A2) y Ánodo 1 (A1) pueden ser reemplazados por Terminal Principal 2 (T2) y Terminal Principal 1 (T1) respectivamente.

 

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ESTRUCTURA.

 

Figura 2 : Estructura  básica del TRIAC

La estructura contiene seis capas como se indica en la Figura 2, aunque funciona siempre como un tiristor de cuatro capas.  En sentido T2-T1 conduce a través de P1N1P2N2 y en sentido T1-T2 a través de P2N1P1N4.  La capa N3 facilita el disparo con intensidad de puerta negativa.  La complicación de su estructura lo hace más delicado que un tiristor en cuanto a di/dt y dv/dt y capacidad para soportar sobre intensidades.  Se fabrican para intensidades de algunos amperios hasta unos   200 (A) eficaces y desde 400 a 1000 (V) de tensión de pico repetitivo.  Los TRIAC son fabricados para funcionar a frecuencias bajas; los fabricados para trabajar a frecuencias medias son denominados alternistores.

 El TRIAC actúa como dos rectificadores controlados de silicio (SCR) en paralelo Figura 3, este

dispositivo es equivalente a dos "latchs"( transistores conectados con realimentación positiva, donde la señal de retorno aumenta el efecto de la señal de entrada).

 

 Figura 3.

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 La diferencia más importante que se encuentra entre el funcionamiento de un triac y el de dos tiristores es que en este último caso cada uno de los dispositivos conducirá durante medio ciclo si se le dispara adecuadamente, bloqueándose cuando la corriente cambia de polaridad, dando como resultado una conducción completa de la corriente alterna. El TRIAC, sin embargo, se bloquea durante el breve instante en que la corriente de carga pasa por el valor cero, hasta que se alcanza el valor mínimo de tensión entre T2 y T1, para volver de nuevo a conducir, suponiendo que la excitación de la puerta sea la adecuada. Esto implica la pérdida de un pequeño ángulo de conducción, que en el caso de cargas resistivas, en las que la corriente está en fase con la tensión, no supone ningún problema. En el caso de cargas reactivas se debe tener en cuenta, en el diseño del circuito, que en el momento en que la corriente pasa por cero no coincide con la misma situación de la tensión aplicada, apareciendo en este momento unos impulsos de tensión entre los dos terminales del componente.

  

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CARACTERÍSTICACARACTERÍSTICAS GENERALESS GENERALES   Y APLICACIONES. Y APLICACIONES.

           La versatibilidad del TRIAC y la simplicidad de su uso le hace ideal para una amplia variedad de aplicaciones relacionadas con el control de corrientes alternas. Una de ellas es su utilización como interruptor estático ofreciendo muchas ventajas sobre los interruptores mecánicos convencionales, que requieren siempre el movimiento de un contacto, siendo la principal la que se obtiene como consecuencia de que el TRIAC siempre se dispara cada medio ciclo cuando la corriente pasa por cero, con lo que se evitan los arcos y sobre tensiones derivadas de la conmutación de cargas

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inductivas que almacenan una determinada energía durante su funcionamiento. 

Resumiendo, algunas características de los TRIACS:

- El TRIAC conmuta del modo de corte al modo de conducción cuando se inyecta corriente a la compuerta. Después del disparo la compuerta no posee control sobre el estado del TRIAC. Para apagar el TRIAC la corriente anódica debe reducirse por debajo del valor de la corriente de retención Ih.

- La corriente y la tensión de encendido disminuyen con el aumento de temperatura y con el aumento de la tensión de bloqueo.

- La aplicación de los TRIACS, a diferencia de los Tiristores, se encuentra  básicamente en corriente alterna. Su curva característica refleja un funcionamiento muy parecido al del tiristor apareciendo en el primer y tercer cuadrante del sistema de ejes. Esto es debido a su bidireccionalidad.

- La principal utilidad de los TRIACS es como regulador de potencia entregada a una carga, en corriente alterna. 

Diac:

Dispositivo semiconductor de dos terminales de estructura similar a la del transistor que presenta cierto tipo de conductividad biestable en ambos sentidos. Cuando las tensiones presentes en sus terminales son suficientemente altas se utiliza principalmente junto a los triacs que para el control en fase de los circuitos.

Es un tipo de tiristor que puede conducir en los dos sentidos. Es un dispositivo de dos terminales que funciona básicamente como dos diodos Shockley que conducen en sentidos opuestos.

La curva de funcionamiento refleja claramente el comportamiento del diac, que funciona como un diodo Shockley tanto en polarización directa como en inversa.

Cualquiera que sea la polarización del dispositivo, para que cese la conducción hay que hacer disminuir la corriente por debajo de la corriente de mantenimiento IH. Las partes izquierda y derecha de la curva, a pesar de tener una forma análoga, no tienen por qué ser simétricas.

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GTO (Gate Turn-off Thyristor)

Un tiristor GTO puede ser encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal “gate” (como en el tiristor), pero en cambio puede ser apagado por un pulso de corriente negativa en la terminal “gate”. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado de apagado del dispositivo son controlados por la corriente en la terminal “gate”.

El símbolo para el tiristor GTO usado más frecuente, así como sus características de conmutación se muestran en la figura.

El proceso de encendido es similar al del tiristor. Las características de apagado son un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las terminales “gate” y cátodo, la corriente en el gate (ig), crece. Cuando la corriente en el gate alcanza su máximo valor IGR, la corriente de ánodo comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor a 1 s. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la corriente de ánodo es conocido como corriente de cola.

La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en el gate (IGR) requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por ejemplo, para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiere una corriente negativa de pico en el gate de 250 A para el apagado.

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La estructura del GTO es esencialmente la misma que un tiristor convencional. Como se muestra en la figura, existen 4 capas de silicón (pnpn), 3 uniones y tres terminales (ánodo, cátodo y gate). La diferencia en la operación, radica en que en que una señal negativa en el gate puede apagar el GTO.

Mientras el GTO se encuentre apagado y no exista señal en el gate, el dispositivo se bloquea para cualquier polaridad en el ánodo, pero una corriente de fuga (IA leak) existe. Con un voltaje de bias en directa el GTO se bloquea hasta que un voltaje de ruptura VAK = VB0 es alcanzado. En este punto existe un proceso dinámico de encendido., VAK = 3V y la corriente IA es determinada por la carga. Cuando el GTO se apaga y con la aplicación de una voltaje en inversa, solo una pequeña corriente de fuga (IA leak) existe. Una polarización en inversa VAK puede ser alcanzada cuando ocurra un corte. El valor del voltaje del voltaje de ruptura inverso depende del método de fabricación para la creación de una regeneración interna para facilitar el proceso de apagado.

Con un voltaje de polarización directo aplicado al ánodo y un pulso de corriente positiva es aplicada al gate, el GTO se enciende y permanece de esa forma. Para ésta condición, existen 2 formas de apagarlo. Una forma es reduciendo la corriente de ánodo IA por medios externos hasta un valor menor a la corriente de holding Ih, en la cual, la acción regenerativa interna no es efectiva. La segunda forma de apagarlo es por medio de un pulso en el gate, y este es el método más recomendable porque proporciona un mejor control.

Como el GTO tiene una conducción de corriente unidireccional, y puede ser apagado en cualquier instante, éste se aplica en circuitos chopper (conversiones de dc- dc) y circuitos inversores (conversiones dc -ac) a niveles de potencia en los que los MOSFET's, TBJ's e IGBT's no pueden ser utilizados. A bajos niveles de potencia los semiconductores de conmutación rápida son preferibles. En la conversión de AC - DC, los GTO's, son útiles porque las estrategias de conmutación que posee, pueden ser usadas para regular la potencia, como el factor de potencia.

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IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del TBJ y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. El gate maneja voltaje como el MOSFET. El símbolo más comúnmente usado se muestra en la figura . Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el TBJ.

La estructura del IGBT es similar al un MOSFET de canal n, una porción de la estructura es la combinación de regiones n+ , p y n- que forman el MOSFET entre el source S y el gate G con la región de flujo n- que es el drain D del MOSFET. Otra parte es la combinación de 3 capas p+ n- p, que crea un transistor de unión bipolar entre el drain D y el source. La región p actúa como colector C, la región n- actúa como la base B y la región p+ actúa como el emisor E de un transistor pnp. Entre el drain y el source existen 4 capas p+n-pn+ que forman un tiristor. Este tiristor es parásito y su efecto es minimizado por el fabricante del IGBT.

Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significa que no existe ningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente ID

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persiste para el tiempo tON en el que la señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de drain iD es igual a la corriente de carga IL (asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en el gate es muy baja.

EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal gate. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 s, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.

EL IGBT requiere un valor límite VGS(TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VDS cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente iD se autolimita.

El IGBT se aplica en controles de motores eléctricos tanto de corriente directa como de corriente alterna, manejados a niveles de potencia que exceden los 50 kW.

MCT (MOS- Controlled Thyristor)

El MCT es otro dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del MOSFET y el tiristor. Recientemente se puso en disponibilidad en el mercado. El símbolo de éste dispositivo se muestra en la figura. Está integrado por 2 MOSFET's, uno de ellos enciende al tiristor y el otro lo apaga.

Existen diversos tipos de estructuras, pero todas ellas coinciden existe un tiristor pnpn que determina las propiedades de conducción (y de bloqueo). También, todos los MCT's tienen integrados dos dispositivos MOS para controlar las propiedades de conmutación.

Entre el ánodo A y el cátodo K existe una estructura pnpn que como ya se mencionó forma la estructura del tiristor del MCT. La región gate - ánodo está formada por más de 105 celdas. Este largo número de celdas provee superficies cortas de largas secciones transversales para una rápida y uniforme conmutación de corriente. Dentro de la región ánodo - gate existen dos MOSFET's. Uno de

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ellos es un canal p, tipo pnp que es usado para el encendido y el otro es un canal n, de tipo npn que es usado para el apagado.

Existen otras regiones p-pn+ que producen el encendido y el apagado del MCT.

La estructura descrita aquí es muy general y no muestra que solo el 4 por ciento de las celdas que posee el MOSFET sirven para el encendido.

En su operación, si el cátodo K es positivo con respecto al ánodo, no importando la polarización del gate, el MCT va a caer a un voltaje muy bajo, ésta situación debe ser evitada.

Si el ánodo A es positivo con respecto al cátodo K, y no existe un voltaje en le gate, el MCT permanece en estado de apagado hasta que un voltaje de ruptura es alcanzado cuando una avalancha de ruptura ocurre. En la práctica una pequeña corriente de fuga IA leak existe en el estado de bloqueo hasta que la ruptura suceda y el dispositivo se encienda.

Si el ánodo es positivo con respecto al cátodo y un voltaje negativo es aplicado al gate, el MCT se enciende. La caída de voltaje VMCT (ON) es muy pequeña y varía desde 0. 7 V sin carga hasta 1.1 V a plena carga. La corriente de ánodo es limitada solo por el valor de la impedancia de la carga.

Si el MCT está encendido, la aplicación de un voltaje positivo en el gate, regresa al dispositivo al estado de apagado hasta que un voltaje negativo en el gate es aplicado.

Debido a que el tiempo de apagado del MCT es muy bajo (cerca de 1.5 s) y que posee un elevado di/dt (1000 A/s) y dv/dt ( 5000 V/s), éstas características superiores lo convierten en un dispositivo de conmutación ideal y posee un tremendo potencial para aplicaciones en motores de media y alta potencia, así como en distintas aplicaciones en la electrónica de potencia.

pueden ser usadas para regular la potencia, como el factor de potencia.

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3.1.1 Instrumentos didácticos

3.1.2 Instrumentos de evaluación

3.2 TEMA 2 – INTRODUCCIÓN A LAS FUENTES CONMUTADAS.

INTRODUCCIÓN:

Todo dispositivo electrónico que requiera para su funcionamiento de energía necesita de una fuente de alimentación. Algunos de estos equipos de bajo consumo pueden ser alimentados por baterías, pero la mayoría de equipo y aparatos electrónicos y eléctricos están conectadas a cualquier red de energía para su funcionamiento.Se sabe que todo equipo industrial y de instrumentación tiene una fuente conmutada, más conocida como SMPS por sus siglas en ingles Switched Mode Power Supply. Estas fuentes tienen la característica que no realizan la transferencia de energía en forma continua sino en forma de paquetes mediante elementos reactivos que la hacen de acumuladores de energía. entiéndase Circuitos altamente Inductivos.Algunas características de estos dispositivos se describen a continuación: Un transformador flyback en su forma más simple tiene corriente que fluye en su primario o en su secundario (pero no en ambos al mismo tiempo). Esto es más complicado en la práctica, p. ej., debido a tiempos de corte finitos de los transistores y diodos, necesarios para los circuitos del amortiguador.La reluctancia del circuito magnético de un flyback, normalmente es mucho más alta que la un transformador común. Esto es debido a un espacio de aire (entrehierro) cuidadosamente calculado para almacenar energía (siendo un inductor). Los voltajes aplicados a un flyback en el primario casi siempre son rectangulares (pulsos), mientras que los transformadores regulares normalmente tienen voltajes sinusoidales aplicados a ellos. Las corrientes que fluyen a través de cualquier lado de un flyback, crecen o disminuyen en forma de diente de sierra lineal, mientras que en un transformador común, normalmente tiene corrientes sinusoidales. Finalmente, debido a las propiedades de los materiales del núcleo, los flyback operan convenientemente en el rango de 103 a 106 Hz, mientras que los transformadores comunes tienen un rango mucho más ancho, de unos 108 Hz a 1012 Hz. El término flyback se origina, probablemente, debido a que el pulso de alto voltaje que carga el condensador del TRC (ver Figuras No.1 a 3 más adelante) es generado por la contracción del campo magnético en el núcleo del transformador, durante el periodo de retraso del haz de electrones en el TRC, el cual "flies back" (vuela atrás) hasta el inicio de una nueva línea de barrido o exploración. El flujo en el núcleo cambia despacio durante el barrido y se corta abruptamente cambiando de polaridad (HOT) y haciendo conducir al diodo damper durante ese flyback o periodo de retraso.

PRINCIPIOS ELECTRONICOSEl desarrollo de la tecnología en la electrónica de Potencia ha permitido que se utilice elementos como el MOSFET de potencia para su construcción que por sus características de conmutación en alta potencia junto a los Diodos de alta velocidad se han convertido en la base del diseño de este tipo de fuentes, mas eficientes y de mayor capacidad, un elemento adicional para la construcción son los superiores materiales electromagnéticos actuales, con mejores características de reluctancia, permeación y menos perdidas. Un diagrama de bloques representativo de una fuente conmutada puede ser:

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Figura No. 1. Diagrama de bloques de una Fuente Conmutada Fuente: Sistemas de control Moderno, Katsuhiko Ogata

A este diagrama se le agrega un transformador entre la etapa de alta frecuencia y el filtro de salida para aislar galvánicamente entre la etapa de entrada y salida. El aislamiento de señal elimina todas las formas de perturbaciones operacionales, tanto en la transmisión de la señal, como de aquéllas que provienen de sensores/transmisores u elementos activos o pasivos.

Esencialmente este tipo de fuente tiene algunas características que son ventaja frente a otras; entre ellas tenemos el bajo peso y tamaño reducido, mayor frecuencia de salida facilitando el filtrado y disminuyendo el tamaño de los elementos involucrados, alta eficiencia debido a los MOSFET que operan entre el corte y la saturación permitiendo baja perdidas de potencia del 10% a 20%, que comparadas con aquellas que son reguladas linealmente y que tienen perdidas del 60% al 70% resultan ser mas confiables.El bajo costo debido a su reducido volumen y disipación tiene como beneficio que los elementos pasivos y activos son pequeños, reduciendo así los dispositivos de disipación y el espacio físico que

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utilizan; y por último el amplio rango de tensión de entrada ya que variando el ciclo de trabajo, estas variaciones pueden ser fácilmente compensadas.Como desventajas pueden considerarse su mayor complejidad de diseño, emisión de señales de interferencia de radiofrecuencia y menor velocidad de respuesta ante bruscas variaciones de carga.Las dos últimas desventajas son superadas mediante un adecuado diseño, requiriendo de un diseño más complejo, y para poder amortizarse en la producción de un elevado número de unidades, resulta en un incremento marginal del costo.Para el adecuado diseño de fuentes conmutadas se requiere del dominio de diversas tecnologías, tales como:• Diseño de circuitos de conmutación de potencia.• Diseño de elementos inductivos.• Teoría de control y su aplicación específica al funcionamiento de las fuentes conmutadas.• Teoría de compatibilidad electromagnética.• Intercambio de calor aplicado a dispositivos electrónicos y su influencia sobre los componentesAl plantearse los requerimientos de una fuente da alimentación, debe considerarse inicialmente la tensión y corriente requeridas y una larga lista de parámetros que deben ser especificados. Los parámetros a especificar al diseñar una fuente conmutada son:

1. Número de salidas2. Corriente de salida3. Tensión de entrada4. Aislamiento5. Rizado de salida6. Regulacióna. De líneab. De cargac. De temperatura7. Respuesta transitoria8. Eficiencia9. Número de salidas10. Corriente de salida11. Tensión de entrada12. Aislamiento13. Rizado de salida14. Regulacióna. De líneab. De cargac. De temperatura15. Respuesta transitoria16. Eficiencia17. Proteccióna. Sobre tensiónb. Sobre corrientec. Corto circuitod. Corriente de pico de entrada18. Interferencia electromagnética19. Tiempo de mantenimiento20. Rango de temperatura21. Dimensiones22. Certificación de normas

Las tres configuraciones circuitales básicas para el diseño de fuentes conmutadas son:1. Convertidor tipo “elevador/reductor o tipo flyback”

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2. Convertidor tipo “reductor, directo, buck o forward”3. Convertidor tipo “elevador o boostEstos tres convertidores se conocen como Convertidores no aislados. El estudio de estos circuitos básicos implica asumir que: la conmutación opera con una llave de frecuencia entre el corte y la saturación; debido a esto hay un ciclo de trabajo que está definido entre la conducción o no conducción (corte y saturación); la inductancia nunca llega a saturación y tiene resistencia despreciable; también debe tomarse en cuenta que a mayor carga se demanda más corriente de la fuente y a menor carga menor corriente; esto lleva a la inductancia a aumentar o disminuir su resistencia de carga y la corriente en la inductancia se hace discontinua cuando esta resistencia de carga es grande; las pérdidas se consideran despreciables y por la alta frecuencia de salida se considera que el voltaje de salida Vo es constante.Cada uno de los tres circuitos convertidores presentan muy diferentes características de funcionamiento a circuito abierto y circuito cerrado, según trabajen en uno u otro modo de operación. Diseños realizados para un modo no pueden ser operados en el otro, ya que puede producirse un comportamiento inestable debido a las diferentes características de los circuitos de realimentación. Convertidores diseñados para operación ininterrumpida no deben ser operados en condiciones de baja carga.Si bien, hay que tener en cuenta las diferentes características de eficiencia, es también importante analizar el funcionamiento con corriente ininterrumpida y el parámetro de diseño. Por ejemplo, en los parámetros de diseño se debe observar la inductancia, analizando las curvas y ver su comportamiento ante la corriente y frecuencia, el material ferromagnético y su implicación en la conducción de corriente, las pérdidas que puedan tener analizando la curva de Histéresis apropiadamente, los arrollamientos en el caso de diseño de transformador etc.. Considerando todos estos detalles se podrá diseñar este tipo de fuentes.Las expresiones que determinan el funcionamiento de las tres configuraciones básicas del circuito convertidor varían según éste opere en modo de conducción ininterrumpida o de conducción discontinua por la inductancia. Se consideran ambas condiciones de operación en el estudio de cada convertidor.

CIRCUITO CONVERTIDORSe clasifican en Convertidores aislados y no aislados. Ambos utilizan las mismas configuraciones básicas, pero a los no aislados se les incorporan transformadores o inductancias de dos arrollamientos para asegurar el aislamiento galvánico con la red de alimentación y la tensión en la carga.

Los tipos básicos de convertidores pueden ser:Convertidor tipo “reductor/elevador o flyback”En régimen permanente y en conducción tc = δT del elemento de conmutación, la tensión a la entrada del circuito es aplicada sobre la inductancia L. El diodo D es inversamente polarizado y la salida -Vo se mantiene constante debido al condensador C.

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Figura No. 2. Convertidor tipo Flyback

Convertidor tipo “reductor, directo, buck o forward”El esquema circuital de este convertidor, así como sus formas de onda para conducciónininterrumpida por la inductancia se indican en la figura siguiente:

Figura No. 2. Convertidor tipo Buck

Durante el período tc = δT de conducción del elemento de conmutación, y en régimen permanente, la tensión en la inductancia L es la diferencia entre las tensiones de entrada Vi y de salida Vo. Su corriente crece linealmente con una pendiente (Vi – Vo) / L, con un valorinicial fijado por la carga del circuito.

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Convertidor elevador o tipo “boost”Durante el período tc = δT de conducción del elemento de conmutación, y en régimen permanente, la tensión de entrada Vi se aplica sobre la inductancia L. Por ser Vo > Vi, el diodo D queda inversamente polarizado y el condensador C mantiene constante la tensión de salida Vo. La corriente en la inductancia crece linealmente con una pendiente Vi / L, con un valor inicial de la rampa fijado por la resistencia R de carga del circuito.

Figura No. 3. Convertidor tipo Boost

COMPARACIÓN DE LOS CIRCUITOS CONVERTIDORES BÁSICOSA continuación se realiza una comparación de los circuitos convertidores básicos estudiados.

Cuadro comparativo

Modos de OperaciónCada uno de los tres circuitos convertidores estudiados presentan muy diferentes características de funcionamiento a lazo abierto y cerrado, según trabajen en uno u otro modo de operación Diseños realizados para un modo no pueden ser operados en el otro, ya que puede producirse un comportamiento inestable debido a las diferentes características de los circuitos de realimentación.Convertidores diseñados para operación ininterrumpida no deben ser operados en condiciones de baja. Estos son:

1. Operación con corriente ininterrumpida2. Operación con corriente interrumpida

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En operación ininterrumpida, y siempre dentro de las aproximaciones realizadas, la relación entre la tensión de entrada y salida es independiente de la carga. Esto resulta en una excelente regulación frente a variaciones de carga. Por el contrario, la dependencia de la tensión de salida de la de entrada significa en una mala regulación frente a variaciones de Vi.En cuanto a la regulación frente a variaciones de carga, la operación en este modo de cualquiera de los convertidores estudiados es peor que en modo ininterrumpido. La principal ventaja de este modo de operación es que los convertidores operando en modo discontinuo presentan una muy buena respuesta de lazo cerrado y son muy estables

3.2.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje.

No aplica

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3.3 TEMA 3 – INVERSORES Y SOFTWARE DE SIMULACIÓN.

Inversores monofásicos. Inversor en medio puente.Como se ha comentado con anterioridad, esta será la topología base que será utilizada para la deducción del funcionamiento de los demás convertidores modulados.La Fig. 6 muestra un inversor en medio puente con modulación “PWM”. Para obtener una alimentación con un punto medio se han utilizado dos fuentes de tensión continua. Sin embargo, en la mayor parte de las aplicaciones se utilizarán dos condensadores iguales. El tamaño de estos condensadores deberá ser lo suficientemente grande para que la tensión a través de ellos pueda considerarse constante.La tensión obtenida en los terminales VA0 variará entre VD/2 y – VD/2 con una secuencia que dependerá de la señal de control y la señal triangular. Los resultados mostrados en la Fig. 6 han sido obtenidos con un índice de modulación en amplitud de “0,8” y un índice de modulación en frecuencia “15”. Como puede comprobarse en esa misma figura, los armónicos de VA0 aparecen en las cercanías de la frecuencia de la señal triangular. Además dada la simetría de la tensión solo tiene armónicos impares El valor de la fundamental podrá calcularse mediante la expresión (7) ya deducida.Si la frecuencia de corte del filtro ha sido seleccionada adecuadamente, la tensión aplicada ala carga será muy similar a la fundamental mostrada en la Fig. 6.Los interruptores utilizados en el medio puente soportan una tensión igual a VD y una corriente de pico igual a la que circula por el filtro y la carga.

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Inversores trifásicos.Un sistema trifásico está formado por tres tensiones senoidales de igual amplitud desfasadas entre ellas 120º. Parece lógico pensar que este sistema podrá implementarse mediante tres inversores monofásicos sincronizados entre sí para obtener las tensiones y desfases deseados. Estos inversores monofásicos podrán ser en puente completo, necesitando entonces 4x3 transistores (junto con sus señales y circuitos de disparo) o de medio puente, donde solo se necesitarán 3x2 transistores.Parece una contradicción utilizar inversores en medio puente para circuitos de alta potencia como son los circuitos trifásicos. Sin embargo, no utilizamos un solo semipuente, utilizamos tres incrementando las posibilidades de manejo de potencia de un inversor monofásico en puente completo que solo tiene dos inversores de media onda.

el momento (modulación senoidal-triangular) será necesario disponer de tres señales senoidales desfasadas 120º. Así, se obtendrán en los terminales A, B y C unas tensiones referidas a (0) que formarán el sistema trifásico. Las tensiones de control seleccionadas son las mostradas en (17), cambiando el desfase entre las señales podrá cambiarse el orden de fases del inversor (lo que equivaldría a un cambio del sentido de giro en un motor asíncrono). La tensión entre fases podrá calcularse de igual forma que en los inversores estudiados con anterioridad (VAB= VA0-VB0, VBC=VB0-VC0, etc), el punto central entre los condensadores de alimentación puede ser considerado como el neutro del sistema.

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Sustituyendo las tensiones de control mostradas en la ecuación (17) en la ecuación (6) se obtendrán las tensiones en cada semipuente (ecuación (18)). La diferencia de tensión entre semipuentes dará como resultado la tensión de línea del inversor (tensión entre fases).

Utilizando la expresión (16) y sabiendo que el desfase =2/3 se obtiene que la tensión entre las fases A y B tiene el valor indicado en la ecuación (19).

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SOFTWARE DE SIMULACIÓNEN ELECTRÓNICA DE POTENCIA (PESIM)

El Software de simulación en electrónica de potencia (PESIM) de Lab-Volt es un paquete de simulación por computadora concebido especialmente para el diseño y análisis de circuitos de electrónica de potencia. Con una simulación rápida, una interfaz de fácil utilización y un procesador de formas de onda, el PESIM constituye un poderoso entorno de simulación y una herramienta útil para el aprendizaje de la electrónica de potencia.El paquete de simulación PESIM comprende tres programas: el editor esquema de circuito SIMCAD; el simulador PESIM y el programa de procesamiento de formas de onda SIMVIEW

SIMCAD ofrece un editor de circuito intuitivo y de fácil utilización. Se puede crear o editar un circuitoelectrónico a partir de una lista comprensible de componentes y bloques de funciones.El simulador PESIM es la calculadora del paquete de simulación. Utiliza algoritmos eficientes que eliminan los problemas de simulación lenta y fallo de convergencia.El SIMVIEW es un programa de procesamiento y post procesamiento de formas de onda. Ofrece unavariada capacidad de manipulación de formas de onda para observar los resultados de simulación.

3.3.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje.

3.4 INSTRUMENTOS DIDÁCTICO Y DE EVALUACIÓN SUGERIDOS PARA ASEGURAR EL RESULTADO DE APRENDIZAJE DE LA UNIDAD.

Mencionar los instrumentos didáctico y de evaluación sugeridos, buscando la alineación con el resultado de aprendizaje de la unidad en los elementos que le corresponda.

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4 UNIDAD TEMÁTICA IV – VARIADORES DE VELOCIDAD

Resultado del aprendizaje.

Elaborará reporte de resultados donde muestre: • La selección, configuración y puesta en servicio de variadores de velocidad para motores de CD y CA con base a las características del proceso.

4.1 TEMA 1 – VARIADORES DE VELOCIDAD PARA MOTORES DE CD.

Control de motores de CCControl por Puente HEl nombre se refiere a la posición en que quedan los transistores en el diagrama del circuito.El circuito Puente H sólo permite un funcionamiento SÍ-NO del motor, a plena potencia en un sentido o en el otro (además del estado de detención, por supuesto), pero no ofrece un modo de controlar la velocidad. Si es necesario hacerlo, se puede apelar a la regulación del voltaje de la fuente de alimentación, variando su potencial hacia abajo para reducir la velocidad. Esta variación de tensión de fuente produce la necesaria variación de corriente en el motor y, por consiguiente, de su velocidad de giro. Es una solución que puede funcionar en muchos casos, pero se trata de una regulación primitiva, que podría no funcionar en aquellas situaciones en las que el motor está sujeto a variaciones de carga mecánica, es decir que debe moverse aplicando fuerzas diferentes. En este caso es muy difícil lograr la velocidad deseada cambiando la corriente que circula por el motor, ya que ésta también será función —además de serlo de la tensión eléctrica de la fuente de alimentación de la carga mecánica que se le aplica (es decir, de la fuerza que debe hacer para girar).

Una de las maneras de lograr un control de la velocidad es tener algún tipo de realimentación, es decir, algún artefacto que permita medir a qué velocidad está girando el motor y entonces, en base a lo medido, regular la corriente en más o en menos. Este tipo de circuito requiere algún artefacto de senseo (sensor) montado sobre el eje del motor. A este elemento se le llamatacómetro y suele ser un generador de CC (otro motor de CC cumple perfectamente la función, aunque podrá ser uno de mucho menor potencia), un sistema de tacómetro digital óptico, con un disco de ranuras o bandas blancas y negras montado sobre el eje, u otros sistemas, como los de pickups magnéticos.

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Fig. 1: Puente H esquema

Control por Ancho de Pulso (PWM)La Regulación por Ancho de Pulso de un motor de CC está basada en el hecho de que si se recorta la CC de alimentación en forma de una onda cuadrada, la energía que recibe el motor disminuirá de manera proporcional a la relación entre la parte alta (habilita corriente) y baja (cero corriente) del ciclo de la onda cuadrada. Controlando esta relación se logra variar la velocidad del motor de una manera bastante aceptable.

Arrancadores estáticosLos arrancadores estáticos son dispositivos que permiten poner en marcha los motores asincrónicos trifásicos estándar, de manera suave y progresiva. Es posible imponer al motor rampas de aceleración y desaceleración limitando la corriente de absorción al valor mínimo necesario, evitando inútiles sobrecargas de la línea de alimentación y protegiendo las partes mecánicas aplicadas al motor, pudiéndose arrancar motores de doble polaridad gracias a la doble regulación de la corriente nominal y de las rampas de aceleración.

Fig. 2: Ejemplo modo de funcionamiento del PWM

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Convertidores CD-CDUn convertidor cd-cd convierte en forma directa de cd a cd y se llama simplemente convertidor cd. Un convertidor cd es equivalente en cd de un transformador ca, con una relación de vueltas que varía en forma continua. Al igual que un transformador, se puede usar para subir o bajar el voltaje de una fuente.Los convertidores cd se usan mucho para el control de motores de tracción de automóviles eléctricos, tranvías, grúas marinas, montacargas y elevadores de mina. Proporciona un control uniforme de aceleración, gran eficiencia y rápida respuesta dinámica. Se puede usar en el frenado regenerativo de motores de cd para regresar la energía a la fuente. Los convertidores cd se usan en los reguladores de voltaje de cd, y también se usan en conjunto con un inductor para generar una corriente de cd.

Convertidores CD-CALos convertidores de cd a ca se conocen como inversores. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada en cd a un voltaje simétrico de salida en ca, con la magnitud y frecuencia deseadas.En los inversores ideales, las formas de onda del voltaje de salida deberían ser senoidales.Sin embargo, en los inversores reales no son senoidales y contienen ciertas armónicas. El uso de los inversores es muy común en aplicaciones industriales tales (como la propulsión de motores de ca de velocidad variable, la calefacción por inducción, las fuentes de respaldo y las de poder, alimentaciones ininterrumpibles de potencia). La entrada puede ser una batería, una celda de combustible, una celda solar u otra fuente de cd. Las salidas monofásicas típicas son (1) 120V a 60Hz, (2) 220V a 50 Hz y (3) 115V a 400Hz. Para sistemas trifásicos de alta potencia, las salidas típicas son (1) 220/380 V a 50 Hz, (2) 120/208 V a 60 Hz y (3) 115/200 V a 400 Hz.

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Variador de velocidadEl Variador de Velocidad (VSD, por sus siglas en inglés Variable Speed Drive) es en un sentido amplio un dispositivo o conjunto de dispositivos mecánicos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos empleados para controlar la velocidad giratoria de maquinaria, especialmente de motores. También es conocido como Accionamiento de Velocidad Variable (ASD, también por sus siglas en inglés Adjustable-Speed Drive). De igual manera, en ocasiones es denominado mediante el anglicismo Drive, costumbre que se considera inadecuada.

Variador de velocidad electrónicoLa maquinaria industrial generalmente es accionada a través de motores eléctricos, a velocidades constantes o variables, pero con valores precisos. No obstante, los motores eléctricos generalmente operan a velocidad constante o cuasi-constante, y con valores que dependen de la alimentación y de las características propias del motor, los cuales no se pueden modificar fácilmente. Para lograr regular la velocidad de los motores, se emplea un controlador especial que recibe el nombre de variador de velocidad.Los variadores de velocidad se emplean en una amplia gama de aplicaciones industriales, como en ventiladores y equipo de aire acondicionado, equipo de bombeo, bandas y transportadores industriales, elevadores, llenadoras, tornos y fresadoras, etc.Un variador de velocidad puede consistir en la combinación de un motor eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua (sin ser un motor paso a paso) también puede ser designado como variador de velocidad.

Variadores eléctrico-electrónicosExisten cuatro categorías de variadores de velocidad eléctrico-electrónicos• Variadores para motores de CC• Variadores de velocidad por corrientes de Eddy• Variadores de deslizamiento• Variadores para motores de CA conocidos como variadores de frecuencia.

Variadores de velocidad eléctrico-electrónicosLos variadores eléctrico-electrónicos incluyen tanto el controlador como el motor eléctrico, sin embargo es práctica común emplear el término variador únicamente al controlador eléctrico. Los primeros variadores de esta categoría emplearon la tecnología de los tubos de vacío.Con los años después se han ido incorporando dispositivos de estado sólido, lo cual ha reducido significativamente el volumen y costo, mejorando la eficiencia y confiabilidad de los dispositivos.

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Fig. 3: Variadores de velocidad eléctrico

Motivos para emplear variadores de velocidadEl control de procesos y el ahorro de la energía son las dos de las principales razones para el empleo de variadores de velocidad. Históricamente, los variadores de velocidad fueron desarrollados originalmente para el control de procesos, pero el ahorro energético ha surgido como un objetivo tan importante como el primero.

Aplicaciones de los variadores en bombas y ventiladoresEntre las diversas ventajas en el control del proceso proporcionadas por el empleo de variadores de velocidad destacan:• Operaciones más suaves.• Control de la aceleración.• Distintas velocidades de operación para cada fase del proceso.• Compensación de variables en procesos variables.• Permitir operaciones lentas para fines de ajuste o prueba.• Ajuste de la tasa de producción.• Permitir el posicionamiento de alta precisión.• Control del Par motor (torque).

4.1.1 Instrumentos didácticos

4.1.2 Instrumentos de evaluación

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4.2 TEMA 2 – VARIADORES DE VELOCIDAD PARA MOTORES DE CA.

Velocidad base La velocidad de la flecha del motor a voltaje, frecuencia y carga nominal se conoce como velocidad base, cuando se varía la frecuencia de alimentación al motor por encima o por debajo de 60 Hz, el motor opera por encima o por debajo de la velocidad base. Volts / Hz Los motores de inducción producen el torque debido al flujo en su campo rotatorio. Cuando se opera por debajo de su velocidad base el torque se lleva a cabo manteniendo constante la relación voltaje / frecuencia que se aplica al motor. La relación para motores de 460V y 230V es:

Si la relación Volts/Hz se incrementa al bajar la frecuencia para reducir la velocidad del motor, la corriente se incrementará llegando a ser excesiva. Si por el contrario la relación Volts/Hz se reduce al subir la frecuencia para elevar la velocidad del motor, la capacidad de torque se verá reducida. Cuando se opera por arriba de la velocidad base, la relación Volts/Hz se reduce ya que se aplica un voltaje constante al motor, que generalmente es el voltaje nominal, por lo que las capacidades de torque se reducen. A frecuencias de alimentación del motor de 30 Hz y menores, la relación Volts/Hz no siempre se mantiene constante, ya que dependiendo del tipo de carga, el voltaje puede incrementarse para elevar la relación Volts/Hz para que el motor produzca un torque mayor, especialmente a velocidad cero. Este ajuste es llamado elevación de voltaje (Voltage Boost). Cuando el motor opera con cargas ligeras se puede reducir la relación Volts/Hz para minimizar la corriente del motor, y debido a que se aplica un voltaje menor, se consigue

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reducir la corriente de magnetización y consecuentemente producir un torque menor que aún sea tolerable.

Los controladores de frecuencia variable de estado sólido constan de un rectificador que convierte la corriente alterna de la línea de alimentación a corriente directa y de una segunda sección llamada inversor que convierte la corriente directa en una señal de corriente alterna de frecuencia ajustable que alimenta al motor.

Rectificador La función del rectificador es convertir la señal de voltaje de alimentación de CA a CD y controlar el voltaje al inversor para mantener constante la relación Volts/Hz, siendo los siguientes métodos básicos los más usados:

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Inversor El inversor utiliza dispositivos de potencia de estado sólido que son controlados por microprocesador para conmutar el voltaje del bus de CD y producir una señal de CA de frecuencia ajustable que alimenta al motor.

Inversor de seis pasos

Para variar la frecuencia del motor, se ajusta el tiempo de conducción de los SCR’s para cada uno de los seis pasos, modificando el tiempo del ciclo. El voltaje de CD se ajusta para mantener la relación Volts-Hz constante. Cuando se utilizan SCR’s en el inversor, se utilizan circuitos complejos de conmutación que no se muestran en la figura y que incluye la lógica de disparo y componentes adicionales de potencia para apagarlos que constan de capacitores, inductores y SRC’s adicionales. Esta complejidad se reduce cuando se utilizan GTO’s o IGBT’s como interruptores de potencia.

4.2.1 Instrumentos didácticos y de evaluación sugeridos para el aprendizaje.

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5 FUENTES BIBLIOGRÁFICAS.

5.1 Sugeridas.

Autor Año Título del Documento Ciudad País EditorialSTEPHEN J. CHAMPMAN

1997 MÁQUINAS ELÉCTRICAS MÉXICO MÉXICO MC GRAW HILL

. M.H. Rashid. TerceraEdición

2004Electrónica de Potencia: Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones

Prentice Hall

MERINO AZCARRAGA, J.M

1998.

Convertidores de frecuencia para motores de corriente alterna. Funcionamiento y aplicaciones

Madrid España McGraw-Hill

ALVAREZ PULIDO, J.M

Convertidores de frecuencia, controladores de motores y SSR,

Marcombo

MALVINO, A. P 1991 Principios de Electrónica Madrid España McGraw-Hill

5.2 De apoyo.

Autor Año Título del Documento Ciudad País Editorial

SECRETARÍA DE ENERGÍA

2005

NOM-001-SEDE-2005 INSTALACIONES ELÉCTRICAS (UTILIZACIÓN)

MÉXICO MÉXICO DIARIO OFICIAL

E. Harper 2002El ABC del Control Electrónico de las Máquinas Eléctricas

Ed Limusa

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6 Compiladores.Compiladores: Luis Alfonso Reyes Dávila

Oscar Muñoz Cruz

Revisor: José Guadalupe Montelongo Sierra