JOSE PABLO BARQUERO ÁVILA - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
DEFINICIÓN DE UNA ESTRATEGIA DE
CONSTRUCCIÓN Y ESTIMACIÓN DE LOS
COSTOS DE LA PRODUCCIÓN DE
CONVERTIDORES ROTATORIOS DE
FASE DE 5 a 25Hp
Por:
Jose Pablo Barquero Ávila
i
DEFINICIÓN DE UNA ESTRATEGIA DE
CONSTRUCCIÓN Y ESTIMACIÓN DE LOS
COSTOS DE LA PRODUCCIÓN DE
CONVERTIDORES ROTATORIOS DE
FASE DE 5 a 25Hp
Por:
JOSE PABLO BARQUERO ÁVILA
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. JAIME ALLEN FLORES
Profesor Guía
_________________________________
Ing. OSCAR NÚÑEZ MATA
Profesor lector
_________________________________
Ing. MAURICIO CESPEDES
Profesor lector
DEDICATORIA
A todas las personas que de una u otra forma contribuyeron en mi formación, a los(as) que
siempre estuvieron ahí y especialmente a mi familia.
RECONOCIMIENTOS
A los Profesores Jaime Allen y Oscar Núñez, por su guía en la elaboración de este
proyecto.
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE FIGURAS..................................................................................vii
ÍNDICE DE TABLAS..................................................................................viii
NOMENCLATURA.........................................................................................x
Resumen...........................................................................................................xi
Capítulo 1: Introducción.................................................................................1
1.1 Objetivos
1.1.1Objetivo general.............................................................................................................2
1.1.2 Objetivos específicos.............................................................................................2
1.2 Metodología .....................................................................................................................3
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico...................................................................5
2.1Convertidores de fase........................................................................................................5
2.2Convertidores estáticos......................................................................................................5
2.2.1Ventajas y desventajas de Los convertidores estáticos de fase...............................6
2.3Convertidores Rotatorios...................................................................................................7
2.3.1Características de salida .........................................................................................8
2.3.2Angulo de Fase......................................................................................................10
2.3.3 Capacidad de un convertidor rotatorio de fase. ...................................................10
2.3.5 Principales aplicaciones de los convertidores Rotatorios de Fase.......................14
2.3.6 Componentes de un convertidor Rotatorio de Fase.............................................15
2.3.6.1 Motor de inducción ..........................................................................................15
2.3.6.1.1 Jaula de ardilla .............................................................................................15
2.3.6.1.1 Rotor Bobinado ..........................................................................................17
2.3.7 Propiedades de los motores Asíncronos de inducción ................................................18
2.3.5.2 Temporizador ...................................................................................................19
2.3.5.3 Capacitores ......................................................................................................19
2.3.5.4 Contactores .......................................................................................................20
2.4Comportamiento del motor de inducción Trifásico Alimentado con energía monofásica.
22
2.4.1 Sin Capacitor de arranque ...................................................................................22
2.4.2 Con capacitor de arranque ...................................................................................25
2.4.3 Comportamiento del motor trifásico trabajando con solo dos fases....................27
2.5Factores que afectan la eficiencia del convertidor rotatorio............................................28
CAPÍTULO 3: Diseño y Recomendaciones para la construcción de
convertidores Rotatorios de Fase..................................................................29
3.1 Consideraciones para el diseño de un convertidor. ........................................................30
3.1.1 Recomendaciones de diseño:.......................................................................................30
3.1.1.1Motor a utilizar:..................................................................................................30
3.1.1.2Capacitores: ....................................................................................................30
3.1.1.3 Valores de capacitancias requeridos:................................................................31
Temporización del capacitor de arranque....................................................................34
Calibre de los cables:....................................................................................................35
3.2 Diseño del convertidor a implementar...........................................................................38
3.2.1 Motor del convertidor:.................................................................................................38
3.2.2 Calibre del cable:.........................................................................................................40
Tamaño del cable trifásico:...........................................................................................40
Tamaño del cable monofásico:......................................................................................41
......................................................................................................................................41
3.2.3 Fusibles a utilizar:........................................................................................................42
3.2.4 Capacitores a utilizar:..................................................................................................42
3.2.5 Circuito de control ......................................................................................................43
Contactor del motor ......................................................................................................44
Contactor de arranque .................................................................................................44
Temporizador................................................................................................................45
Botones a utilizar
.................................................................................................46
3.3 Variación en los elementos para convertidores de distintas potencias ..........................46
3.4 Estimación de costos de construcción del convertidor...................................................47
3.5.1 Costos de producción convertidor implementado................................................51
3.5.2 Costos de producción de convertidores utilizando diferentes componentes........52
3.6 Recomendaciones para la construcción y operación de convertidores rotatorios de
fase................................................................................................................................54
Capitulo 4 Pruebas Realizadas al Convertidor Implementado ................57
4.1 Característica de salida...................................................................................................57
4.1.1 Valores de Capacitancias Utilizados............................................................................58
4.1.1.1 Capacitancia de Arranque ...........................................................................58
4.1.1.2 Capacitancias de Trabajo .................................................................................59
4.1.1.3 Zona de operación del convertidor implementado............................................62
4.2Eficiencia del convertidor ..............................................................................................63
Capitulo 5 Conclusiones y Recomendaciones ..........................................66
Recomendaciones para montar y operar Convertidores rotatorios de fase. .........................66
Recomendaciones acerca del equipo necesario....................................................................68
Conclusiones obtenidas de la teoría .....................................................................................69
Conclusiones obtenidas del trabajo en el laboratorio ..........................................................70
BIBLIOGRAFÍA............................................................................................72
Anexos ............................................................................................................74
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Implementación de un convertidor rotatorio utilizando ...................................6
un convertidor estático[13]..................................................................................................6
Figura 2.2 Característica de salida de un Convertidor rotatorio[2].....................................9
Figura 2.3 Diagrama de conexión de un Convertidor rotatorio [2]...................................12
Figura 2.4 Conexión en paralelo de dos Convertidores rotatorios [2]..............................13
Figura 2.5 Diagrama de conexión para un Convertidor rotatorio [2]. .............................13
Figura 2.6 Rotor Jaula de ardilla[7] ................................................................................16
Figura 2.7 Motor de inducción Jaula de ardilla[14].........................................................16
Figura 2.8 Motor de inducción rotor devanado[11]..........................................................17
Figura 2.9 Esquema de las bobinas del estator del motor trifásico .................................22
Figura 2.10 Esquema de las bobinas del estator del motor trifásico ................................25
Figura 3.1 Característica de salida de un Convertidor rotatorio
Tensión de línea Vs Carga [2]...........................................................................................33
Figura 3.2 Esquema básico del convertidor rotatorio de fase a implementar...................38
Figura 3.3 Esquema básico del circuito de control de convertidor rotatorio....................43
Figura 4.1 Comportamiento de la tensión entre T1 y T3 para distintos............................60
valores de capacitancia......................................................................................................60
Figura 4.2 Característica de Salida del convertidor implementado..................................61
Figura 4.3 Comportamiento del factor de potencia de la carga alimentada..................63
Figura 4.4 Comportamiento de la eficiencia del sistema..................................................64
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1 Tamaños recomendados para cables y fusibles [1]...........................................36
Tabla 3.2 Valores y capacidades de los elementos para convertidores de mayor potencia.
...........................................................................................................................................47
Tabla 3.3 Precio de Contactores aptos para el motor del convertidor...............................48
Tabla 3.4 Precio de temporizadores..................................................................................48
Tabla 3.5 Precio de Capacitores para el convertidor.........................................................49
Tabla 3.6 Precio de botonera y gabinete...........................................................................49
Tabla 3.7 Precio de posible mano de obra........................................................................50
Tabla 3.8 Elección #1 Precio de componentes para el convertidor implementado...........51
Tabla 3.9 Elección #2 Precio de componentes para un convertidor de 7.5 Hp.................52
Tabla 3.10 Elección #3 Precio de componentes para un convertidor de 7.5 Hp...............53
Tabla 3.11 Resumen de costos de producción para las diferentes elecciones de
componentes......................................................................................................................54
Tabla A.1 Datos utilizados para obtener el grafico mostrado en la figura 4.1
(Característica de salida para diferentes valores de capacitancia) ...................................74
Tabla A.2 Se presentan los datos obtenidos con el Analizador para graficar el
comportamiento del voltaje en terminales ante el aumento en la carga. (Característica de
salida final del convertidor)...............................................................................................74
..........................................................................................................................................76
Tabla A.3 Datos utilizados para obtener el grafico mostrado en la figura 4.3..................76
Tabla A.4 Datos utilizados para obtener el grafico mostrado en la figura 4.4 (Eficiencia
del convertidor).................................................................................................................76
NOMENCLATURA
(Debe de incluir aquí la simbología utilizada en todo el proyecto, por ejemplo:)
L1
Línea de alimentación monofásica 1.
L2
Línea de alimentación monofásica 2.
T1
Línea trifásica # 1.
T2
Línea trifásica #2.
T3
Línea trifásica #3 esta es la fase generada en el convertidor.
C.T 1 Capacitor de trabajo colocado entre L1 y T3.
C.T 2 Capacitor de trabajo colocado entre L2 y T3.
C.A
Capacitor de arranque.
NEC
National Electric Code
B.CP
Bobina Contactor de potencia (Motor)
B.CA
Bobina Contactor de arranque (Capacitor de Arranque)
Resumen
El principal objetivo del proyecto fue definir una estrategia de construcción de
convertidores rotatorios de fase, estimar los costos de producción de los mismos y realizar
pruebas con el fin de obtener datos acerca de su eficiencia.
Primero se consulto bibliografía la cual en su mayoría corresponde a diferentes
artículos, publicados en Internet donde se trata el tema, esto con el fin de comprender el
funcionamiento de este tipo de convertidor así como conocer de que modo están
construidos estos convertidores.
Una vez que se cubrió el asunto de los conceptos y conocer las partes que
conforman un convertidor se procedió con la implementación de un convertidor rotatorio
de fase el mismo se implemento utilizando un motor de 3Hp y se coloco el laboratorio de
maquinas eléctricas de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica,
en este mismo laboratorio se realizaron las pruebas que tuvieron como fin obtener valores
para la eficiencia del convertidor, para cargar el convertidor se utilizo un motor de
inducción de 4Hp, esto no esta del todo bien ya que para estos convertidores las cargas
deben de ser de una potencia menor o igual a la potencia del motor del convertidor, pero se
hizo de esta manera pues no se contaba con otro tipo de cargas que se pudieran aplicar.
Luego de implementar el convertidor procedió a realizar una estimación de costos
de producción del convertidor que se implemento. , esto por que era necesario conocer el
tiempo promedio que se tardaba en montar y realizar las pruebas necesarias para
dejar operando el convertidor rotatorio de fase.
Se realizaron las pruebas necesarias para obtener datos de los cuales se pudiera
encontrar un valor para la eficiencia del convertidor.
Se llego a la conclusión que este tipo de convertidor se comporta de mejor manera
para cargas mayores. Cuando se opera a un bajo nivel de carga la eficiencia es menor y esta
aumenta, conforme se aumenta el nivel de carga.
Capítulo 1: Introducción
Una características del sistema de distribución eléctrica con el que se cuenta en el país es
que el servicio trifásico solo se encuentra en cercanías de grandes sectores comerciales e
industriales así como en áreas de gran densidad de carga, pero brindar este servicio en áreas
residenciales o áreas donde se encuentren pequeños negocios no resulta rentable, por lo
cual es imposible obtener el servicio trifásico de la compañía en estos sectores. Gran
numero de pequeñas empresas se encuentran situadas en estas zonas, esto es un problema
ya que deben operar con maquinas monofásicas y como es bien conocido estas presentan
baja eficiencia y un mal factor de potencia, esto representa un problema para las empresas,
también los motores monofásicos normalmente se encuentran para potencias por debajo de
los 10 hp, esto aunado a que hay diversas maquinas que operan forzosamente con motores
trifásicos, de aquí que se ha buscado soluciones para obtener energía trifásica a partir de la
energía monofásica que brinda la compañía de distribución eléctrica, una de estas
soluciones han sido los convertidotes rotatorios de fase, estos pueden encontrarse en
diferentes potencias y se escogen según sea la carga trifásica que deba alimentar, pueden
encontrarse los que algunas compañías venden para una carga especifica o algunos que han
sido construidos casi de modo artesanal, de aquí la inquietud de definir una estrategia de
construcción de convertidores rotatorios de fase, así como
estimar los costos de la
producción de los mismos, además se fija un rango de potencias entre 5 y 25 Hp ya que se
considera que este es el ámbito de mayor uso de estos convertidores.
2
1.1 Objetivos
1.1.1
•
Objetivo general
Definir una estrategia de construcción de convertidores rotatorios de fase de 5 hp a
25 hp.
1.1.2 Objetivos específicos
•
Diseñar 3 sistemas de control para los convertidores de 5 a 25 hp.
•
Especificar materiales y mano de obra necesaria para construir los convertidores.
Cálculo de costos. Se analizaran componentes de distintas calidades
•
Establecer procedimientos, así como dar recomendaciones, para la correcta
instalación, operación y mantenimiento del convertidor.
•
Construir un convertidor y realizar pruebas de laboratorio con el fin de determinar
potencias mínimas y máximas y la eficiencia.
3
1.2 Metodología
La primera etapa de este proyecto consiste en la definición de una base teórica donde se
expliquen diversos conceptos relacionados con el proyecto, se explicaran características de
los convertidores rotatorios de fase, así como las implicaciones de trabajar con energía
monofásica y trifásica, se explicara como se puede hacer funcionar un motor trifásico a
partir de energía monofásica también se dedicara una parte de este marco teórico para
hablar de capacitores, especialmente los utilizados en este tipo de aplicaciones.
Luego de tener claros los conceptos que se encuentran en la parte teórica donde se explican
conceptos importantes se procederá a realizar la parte del diseño
de un sistema de
convertidor rotatorio de fase, se pretende realizar este diseño para tres diferentes
convertidores la diferencia en los diseños será básicamente la potencia ya que se planea
hacerlo para tres diferentes potencias.
Una vez realizado los tres diseños se procederá a realizar una estimación de los costos para
el montaje de un convertidor rotatorio de fase, se harán cotizaciones de los materiales
necesarios y se planea cotizar diferentes calidades de los componentes esto con el fin de
analizar la diferencia en precio que representa el usar unos u otros componentes.
Establecer un procedimiento para la correcta instalación operación y mantenimiento del
convertidor tomando en cuenta las características de los diferentes componentes que lo
conforman, las cargas que se encuentran conectadas a este convertidor y el lugar donde esta
operando el mismo, lo que se pretende es dar recomendaciones para prolongar la vida útil
así como un aprovechamiento optimo del convertidor.
4
Después de haber cumplido con lo planteado anteriormente se procederá al montaje de un
convertidor rotatorio de fase, este montaje se realizara en el laboratorio de maquinas
eléctricas de la escuela de ingeniería eléctrica, la potencia de este convertidor a
implementar se definirá mas adelante. La idea de realizar el montaje de este convertidor
con el fin de realizar pruebas experimentales donde se obtenga el comportamiento de este
al aplicarle carga además de realizar pruebas con el fin de obtener la eficiencia de este
convertidor implementado.
5
CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico
2.1Convertidores de fase.
Se puede encontrar dos tipos de convertidores de fase, A SABER: Estáticos y Rotatorios,
como su nombre lo indica la diferencia más notoria entre ambos tipos es que uno funciona
mediante conexión y desconexión de capacitores de modo que no tiene partes móviles,
mientras el segundo funciona mediante el efecto de inducción que se da en el motor.
2.2Convertidores estáticos
Estos convertidores usualmente son mas baratos que los convertidores rotatorios, pero
presentan la desventaja que son funcionales para trabajar con motores de bajo nivel de
carga, de modo que dependiendo de la aplicación resulta mejor utilizar convertidores
rotatorios. Los convertidores de fase estáticos son equipos muy económicos, diseñados solo
para poner en operación motores trifásicos, no generan la tercer fase, estos unen la tercera
línea a alguna de las dos líneas de alimentación monofásica mediante una capacitancia.
Estos equipos solo deben emplearse en motores eléctricos trifásicos donde su carga no sea
mayor del 70% de la potencia de este. Para motores con cargas mayores al 70% y para
cargas distintas a motores, debe usar un convertidor rotatorio. En ocasiones los mismos
fabricantes recomiendan utilizar convertidores rotatorios cuando se necesita operar motores
a un 100% de su potencia. La recomendación de estos fabricantes es utilizar un convertidor
estático para realizar el proceso de arranque del motor que conforma convertidor rotatorio,
esto se puede observar en la siguiente figura.
6
Figura 2.1 Implementación de un convertidor rotatorio utilizando
un convertidor estático[13].
2.2.1Ventajas y desventajas de Los convertidores estáticos de fase
El presente trabajo pretende abarcar el tema de convertidor rotatorio de fase, sin embargo
es importante también mencionar, algunas características de los convertidores estáticos,
pues dependiendo de la aplicación este tipo de convertidor podría ser utilizado en lugar de
un convertidor rotatorio, representando una opción mas económica.
Ventajas:
•
Instalación sencilla pues para instalar este tipo de convertidor solo se necesita
fijar el lugar donde se ubicara y conectar los cables en su respectivo lugar.
•
Resulta ser un equipo relativamente económico para poner en operación motores
trifásicos.
•
Larga vida.
•
Funcionales para ciclos de arranques largos y pesados.
7
•
Funcionan para implementar convertidores rotatorios ya que funcionan como
circuito de arranque solo es necesario adicionar el motor para tener el
convertidor rotativo.
Desventajas:
•
Aplicaciones limitadas únicamente se puede alimentar motores con este tipo de
convertidor.]
•
Los motores que operen con este tipo de convertidor deben operar a un 60% de
su potencia nominal. (tomando en cuenta el punto anterior).
•
Los convertidores estáticos deben escogerse para un rango de operación es decir
tienen potencia mínima y potencia máxima de operación.
•
Solo se consiguen para rangos potencias bajas o medianas los mas grandes son
para potencias de entre 40 y 50 Hp.
2.3Convertidores Rotatorios.
Un error de concepto muy común es pensar que un convertidor rotatorio de fase es algo
similar a un conjunto de motor-generador Cuando en realidad un convertidor rotatorio se
puede construir a partir de un motor trifásico, añadiendo un par de bancos de capacitores de
trabajo y un banco de capacitores de arranque.
Un convertidor rotatorio tiene en si mismo un pequeño convertidor estático este es el
capacitor de arranque, cuando la corriente circula por las bobinas crea un campo giratorio,
8
este campo atraviesa cada grupo de bobinas que se encuentran separadas por 120 grados
mecánicos, producto de este flujo giratorio se obtiene a la salida ondas sinusoidales
desfasadas 120 grados entre si. Las magnitudes de estas fases pueden ser diferentes, debido
al los capacitores o al efecto de inducción que puede presentarse con mayor efecto en unas
bobinas que en otras, sin embargo es indiscutible que se produce voltaje trifásico en las
terminales del motor, además una ventaja de este tipo de convertidores es que usualmente
el voltaje trifásico generado tiende a ser balanceado o fácil de balancear y además las
ondas están desfasadas exactamente 120 grados.
Este proceso de inducción es similar al que se da en un transformador, donde el secundario
es el rotor, este transformador rotativo tiene una relación de transformación 1:1, esto quiere
decir que lo que hace es convertir el voltaje monofásico
a trifásico manteniendo la
magnitud del voltaje de la fuente monofásica.
Bajo condiciones normales de carga los convertidores rotatorios pueden trabajar de manera
continua 24 horas al día, cada día, pueden trabajar sin carga o en condición de plena carga,
no necesitan ser desconectados excepto para las debidas inspecciones periódicas o para
darle mantenimiento
2.3.1Características de salida
Como se menciono anteriormente la calidad de la energía trifásica obtenida con este
convertidor depende de varios factores como lo son, la capacidad del convertidor, la
demanda de la carga que se este alimentando, esta se afecta especialmente cuando se dan
arranques de motores (pueden ser compresores o bombas por ejemplo), el factor de
9
potencia de la carga que se este alimentando y la técnica que se haya utilizado para
balancear al voltaje entre las fases.
También es importante mencionar que el comportamiento de la salida en un convertidor
rotatorio de fase varia con la carga y al igual que la mayoría de las maquinas eléctricas se
comporta de mejor manera cuando se encuentra a plena carga, ya que en condición de vació
las perdidas son mayores y disminuyen conforme se aumenta la carga. Cuando el
convertidor se encuentra en vació el voltaje en la línea manufacturada tiende a presentar un
voltaje bastante alto y este disminuye y se estabiliza conforme se aumenta la carga, pero
una ves sobrepasado el 100% de la carga este voltaje tiende a caer rápidamente, este
comportamiento se describe en la siguiente figura.
Figura 2.2 Característica de salida de un Convertidor rotatorio[2].
10
Cuando se da el arranque de un convertidor rotatorio es importante esperar que este alcance
su velocidad nominal y luego de alcanzado este punto se puede colocar carga al
convertidor.
2.3.2Angulo de Fase
Como en un motor trifásico los arreglos de los devanados des estator están colocados de
modo que aya una separación de 120 grados mecánicos entre cada bobinado, entonces al
tener un campo magnético girando en el interior del motor y siempre y cuando este campo
gire a velocidad constante se obtendrán ondas desfasadas 120 grados eléctricos en las
terminales del motor, este efecto es similar al que ocurre en un generador donde las ondas
generadas están desfasadas 120 grados eléctricos y la frecuencia de estas ondas generadas
depende de la velocidad de giro del rotor, de modo que sin importar el nivel de carga del
convertidor la separación entre los bobinados en el estator no varia de modo que las ondas
que se encuentren en las terminales del convertidor siempre presentaran un desfase cercano
a 120 grados eléctricos entre si.
2.3.3 Capacidad de un convertidor rotatorio de fase.
Un convertidor rotatorio puede manejar cargas de alrededor de 3 veces la potencia indicada
en la placa del motor que lo conforma, siempre y cuando la carga este conformada por
motores y que se respete que el motor de mayor potencia conectado sea de una potencia
11
igual a la potencia nominal del motor del convertidor, el resto de las cargas puede estar
conformada por motores de menor potencia, por ejemplo un convertidor implementado con
un motor de 25hp puede manejar fácilmente 75 hp siempre y cuando el motor mas grande
conectado sea de 25hp, esto por que así podrá soportar sin ningún problema la corriente de
arranque de este motor que posiblemente será muy parecida a la corriente de arranque del
motor del convertidor y los restantes 50 hp pueden ser conformados por motores de menor
potencia.
Un convertidor rotatorio puede operarse sin capacitores de trabajo siempre y cuando la
carga no sobrepase 2/3 de la potencia nominal del motor que conforma el convertidor, este
tipo de operación no es muy recomendable debido a que se presenta mala regulación de
tensión y el voltaje inducido en la línea T3 será muy poco estable, por lo que no se puede
contar con esta línea de modo que se puede suponer que el motor esta trabajando con solo
dos fases.
2.3.4 Estructura del convertidor.
Para entender como funciona un convertidor rotatorio de fase, primero es necesario
comprender como esta conformado y como se realiza la conexión entre sus diferentes
partes. Un convertidor rotatorio de fase requiere dos líneas con fases simples (energía
monofásica), estas serán llamadas L1 y L2 el diagrama básico de conexión se muestra en la
siguiente figura :
12
Figura 2.3 Diagrama de conexión de un Convertidor rotatorio [2].
Como se observa en la figura se podría decir que la carga y el convertidor están conectados
en paralelo respecto a las líneas de fase simple (L1 y L2) la tercera línea (T3) es la única
que sale directamente del convertidor, esta es llamada fase creada o manufacturada. El
trabajo del convertidor es producir voltaje en esta tercera línea y además regular el voltaje y
la corriente entre las tres líneas. El desempeño del convertidor depende de varias variables
como el tipo de convertidor, la magnitud de la carga, el factor de potencia y la estabilidad
de la alimentación monofásica.
También se puede dar la opción de colocar varios convertidores rotatorios trabajando en
paralelo, esto en casos donde se hayan dado ampliaciones en la carga o que simplemente se
desee utilizar dos convertidores, previendo que en el momento que uno salga de operación
el otro convertidor pueda llevar parte de la carga.
13
Figura 2.4 Conexión en paralelo de dos Convertidores rotatorios [2].
A continuación se muestra el circuito equivalente simplificado de un convertidor rotatorio
de fase n este caso solo se cuenta con una capacitancia de trabajo:
Figura 2.5 Diagrama de conexión para un Convertidor rotatorio [2].
14
En este caso el diagrama se muestra con un solo capacitor de trabajo, usualmente se
colocan dos capacitores de trabajo uno entre las líneas L2 y T3 y otro entre las líneas L1 y
T3. Además el capacitor de arranque se coloca entre las líneas L2y T3 o L1 y T3.
2.3.5 Principales aplicaciones de los convertidores Rotatorios de Fase.
Como se ha mencionado anteriormente la función principal de un convertidor de fase en
obtener energía trifásica a partir de energía monofásica, en sitios donde la compañía de
distribución eléctrica no brinda el servicio, pero hasta el momento no se ha mencionado
aplicaciones especificas, aunque es conocido que los convertidores rotatorios d fase,
presentan gran versatilidad para trabajar en diferentes tareas, a continuación se mencionan
algunas áreas donde se pueden utilizar y su posible aplicación.
En la industria:
para maquinas de soldar, acabar, cortar y dar forma a metales, en
sistemas de ventilación, bandas transportadoras, manejo de compresores, sistemas de
bombeo, etc.
En los negocios: para la impresión, sistemas de televisión, estaciones de radio,
restaurantes, marinas, lavado de autos, lavandería;
En la agricultura: barrenas, elevadores, empaquetadoras, granjas y lecherías, Sistemas de
irrigación(bombeo).
En la industria maderera: para trabajo en aserraderos, el equipo de transporte de materia
prima (Troncos de los árboles).
15
2.3.6 Componentes de un convertidor Rotatorio de Fase
Un convertidor rotatorio esta compuesto por varias partes y componentes, cada una de las
piezas tiene una función especifica dentro del funcionamiento del convertidor. La pieza
mas importante consiste en el motor que se utilice generalmente este motor consiste un
motor de inducción jaula de ardilla, también se deben utilizar tres diferentes capacitancias,
una de arranque y dos de trabajo, además de estos elementos se debe utilizar contactores
para activar y desactivar el convertidor, también un temporizador para desconectar la
capacitancia de arranque.
2.3.6.1 Motor de inducción
2.3.6.1.1 Jaula de ardilla
El motor de jaula de ardilla es el mas común y utilizado en loa industria, son pequeños de
bajo precio y de fácil mantenimiento. La característica principal de este tipo de motor esta
en la construcción del rotor, este esta constituido por barras longitudinales generalmente de
cobre que se encuentran unidas en sus extremos a un anillo conductor que se encarga de
cortocircuitar todas las barras, se puede decir que cada conductor forma una espira con el
conductor que se encuentra en el lado opuesto. Usualmente las barras del rotor están
inclinadas ya que esto mejora las propiedades del motor en el arranque.
16
Figura 2.6 Rotor Jaula de ardilla[7]
Por otra parte el estator de un motor de inducción de jaula de ardilla es igual al Estator de
un motor de rotor devanado y al del motor sincrónico.
Figura 2.7 Motor de inducción Jaula de ardilla[14]
17
2.3.6.1.1 Rotor Bobinado
El motor de inducción de Rotor bobinado (o devanado) surge, por la necesidad de
solucionar algunos problemas que presenta el motor de rotor de jaula de ardilla, como lo
son el control de velocidad a frecuencia constante y la elevada corriente de arranque.
La estructura del estator de este motor, así como su devanado no varia respecto al motor de
jaula de ardilla, las diferencias están en la construcción del rotor.
El motor de rotor bobinado cuenta un con un rotor en el cual se encuentran alojados, tres
devanados de fase conectados en estrella. Los extremos de los devanados se unen a tres
anillos rozantes de cobre fijados al eje del rotor y aislados entre si y del núcleo del rotor,
estos anillos se encuentran unidos mediante escobillas a un reóstato con el fin de tener la
opción de variar la resistencia rotórica y de este modo reducir la corriente de arranque y
aumentar el par de arranque.
Figura 2.8 Motor de inducción rotor devanado[11]
18
2.3.7 Propiedades de los motores Asíncronos de inducción
Ventajas de los motores con rotor de jaula
• Velocidad aproximadamente constante, para diferentes cargas.
•
Posibilidad de soportar grandes sobrecargas.
•
Sencillez en la construcción
•
Ausencia de contactos móviles
•
Rendimiento mas alto que el motor de rotor bobinado.
Desventajas
• Dificultad para regular la velocidad.
•
Alta corriente de Arranque.
•
Bajo factor de potencia para cargas pequeñas.
•
Sensibilidad a las oscilaciones de la tensión. [11]
Ventajas de los motores con rotor Bobinado
•
Gran par de arranque inicial.
•
Posibilidad de grandes sobrecargas.
•
Menor corriente de arranque en comparación con los motores de jaula de ardilla.
•
Posibilidad de usar dispositivos de arranque automáticos.
Desventajas
•
Sensibilidad a las oscilaciones de tensión
•
Factor de potencia y rendimiento menor que el motor de rotor de jaula.
•
Necesidad de mantenimiento periódico. [11]
19
2.3.5.2 Temporizador
Un temporizador es un aparato mediante el cual, podemos regular la conexión ó
desconexión de un circuito eléctrico, esta conexión o desconexión se realiza pasado un
tiempo desde que se da un evento X, el cual representa el evento que tomamos como
referencia para realizar luego las demás acciones.
Hay gran variedad de temporizadores y se pueden clasificar según su modo de operación,
ya sea para conectar o desconectar un circuito o por su forma de operar ya que estos pueden
ser térmicos neumáticos o electrónicos.
2.3.5.3 Capacitores
Los capacitores utilizados en un convertidor de fase son similares a los que se utilizan en un
motor monofásico, Generalmente se utilizan capacitores electrolíticos. Para el capacitor de
arranque, según diferentes recomendaciones, este debe de tener un valor entre 50 y 100
F por H.P y para los capacitores de trabajo también por recomendaciones se determina
deben tener valores entre 12 y 16 F por H.P.
Los capacitores electrolíticos se han desarrollado para lograr grandes valores de
capacitancia en dimensiones físicas reducidas. De manera simple se puede ilustrar un
capacitor como dos placas conductoras que se colocan una frente a la otra, separadas por
una mínimas distancia por medio de un material dieléctrico (no conductor) su capacidad es
proporcional al área de sus placas e inversamente proporcional a la distancia de separación
20
entre estas. Los capacitores electrolíticos son los de mayor capacidad ya que con ellos se
tiende a aumentar el área y a disminuir la distancia de separación entre las placas, estos
deben su nombre a que el material dieléctrico contiene un asido llamado electrolito. La
fabricación de un capacitor electrolítico comienza enrollando dos láminas de aluminio
separadas por un papel absorbente humedecido con ácido electrolítico. Luego se hace
circular una corriente eléctrica entre las placas para provocar una reacción química que
producirá una capa de óxido sobre el aluminio, siendo este óxido de electrolito el verdadero
dieléctrico del capacitor. [5]
2.3.5.4 Contactores
Un contactor es un dispositivo con capacidad de controlar el paso de la corriente eléctrica
que va hacia un receptor o instalación, estos dispositivos ofrecen la posibilidad de ser
accionados a distancia, normalmente tienen dos posiciones de funcionamiento, una estable
o de reposo, cuando no recibe acción alguna por parte del circuito que lo controla, y otra
inestable, cuando así se le indica por el circuito de control. Este tipo de funcionamiento es
conocido como de "todo o nada". Los contactores se pueden clasificar según el tipo de
accionamiento de la siguiente manera:
Contactores electromagnéticos. Su accionamiento se realiza a través de un electroimán.
Contactores electromecánicos. Se accionan con ayuda de medios mecánicos.
Contactores neumáticos. Se accionan mediante la presión de un gas.
Contactores hidráulicos. Se accionan por la presión de un líquido.
21
Constitución de un contactor electromagnético.
- Contactos principales. Son los destinados a abrir y cerrar el circuito de potencia. Están
abiertos en reposo.
- Contactos auxiliares. Son los encargados de abrir y cerrar el circuito de mando. Están
acoplados mecánicamente a los contactos principales y pueden ser abiertos o cerrados.
- Bobina. Elemento que produce una fuerza de atracción (FA) al ser atravesado por una
corriente eléctrica. Su tensión de alimentación puede ser de 12, 24 y 220V de corriente
alterna, siendo la de 220V la más usual.
- Armadura. Parte móvil del contactor. Desplaza los contactos principales y auxiliares por
la acción (FA) de la bobina.
- Núcleo. Parte fija por la que se cierra el flujo magnético producido por la bobina.
- Resorte. Es un muelle encargado de devolver los contactos a su posición de reposo una
vez que desaparece la fuerza de atracción.
22
2.4Comportamiento del motor de inducción Trifásico Alimentado con
energía monofásica.
2.4.1 Sin Capacitor de arranque
Para comprender como se hace funcionar un motor trifásico a partir de energía monofásica
es importante mostrar como se comporta el mismo cuando es alimentado con energía
monofásica, especialmente como se comporta el campo magnético generado en el interior
del motor. El campo magnético generado dentro del motor cuando se conecta a energía
monofásica se puede describir mediante las siguientes expresiones.
Tenemos que el campo magnético producido por una sola bobina se describe mediante la
siguiente ecuación:
F (α ) = Fm sen(ωt )
(2.4.1-1)
Si se alimenta un motor trifásico con energía monofásica tal y como se muestra en la
siguiente figura:
Figura 2.9 Esquema de las bobinas del estator del motor trifásico
23
Entonces para el campo magnético que se produce en el interior del motor se obtendrá el
siguiente resultado:
Considerando que las tres bobinas son idénticas y además están desfasadas 120 grados
mecánicos entre sí, además de aplicar una simple maya se encuentra puede encontrar que:
I2 = I3 =
1
I1
2
y como el campo magnético producido por una bobina es proporcional a la
corriente que circula por esta se puede afirmar que:
Fm 2 = Fm3 =
1
Fm1
2
Las fuerzas magnetomotrices producidas por las bobinas 1,2,3 respectivamente se describen
en las siguientes ecuaciones, donde el coseno indica la separación de 120 grados mecánicos
que hay entre los devanados del estator:
F1 (α ) = Fm1 sen(ωt ) cos(α )
(2.4.1-2)
F2 (α ) = Fm 2 sen(ωt ) cos(α − 120)
(2.4.1-3)
F2 (α ) = Fm3 sen(ωt ) cos(α − 240)
(2.4.1-4)
Como se puede observar en este caso los grados eléctricos son iguales para todos ya que
están alimentados con energía monofásica, lo que varía son los grados mecánicos que hay
entre los devanados. Además se tiene que el campo total producido dentro del motor es la
suma de los campos producidos por las tres bobinas
F( ) total = F1( )+ F2( )+ F3( )
(2.4.1-5)
24
Desarrollo de la expresión :
F (α ) = F1 (α ) + F1 (α ) + F1 (α )
F (α ) = Fm sen(ωt ) cos(α ) +
1
1
Fm sen(ωt ) cos(α − 120) + Fm sen(ωt ) cos(α − 240)
2
2
1
1
F (α ) = Fm sen(ωt )[cos(α ) + cos(α − 120) + cos(α − 240)]
2
2
(2.4.1-6)
Utilizando la propiedad :
cos(a + −b) = cos(a ) cos(b) − + sen(a ) sen(b)
(2.4.1-7)
se puede rescribir la ecuación ( 2.4-6 ) como:
1
1
1
1
F (α ) = Fm sen(ωt )[cos(α ) + cos(α ) cos(120) + sen(α ) sen(120) + cos(α ) cos(240) + sen(α ) sen(240)]
2
2
2
2
F (α ) = Fm sen(ωt )[cos(α ) +
3
3
−1
−1
cos(α ) +
cos(α ) −
sen(α ) +
sen(α )]
4
4
4
4
F (α ) = Fm sen(ωt )[cos(α ) +
F (α ) =
−1
cos(α )]
2
1
Fm sen(ωt ) cos(α )
2
(2.4.1-8)
Rescribiendo esta ecuación con ayuda de la propiedad
sen(a + −b) = sen(a ) cos(b) + − sen(b) cos(a )
(2.4.1-9)
se obtiene :
F (α ) =
1
Fm [ sen(ωt − α ) + sen(ωt + α ) ]
4
(2.4.1-10)
25
Se puede observar que esta expresión representa a una fuerza magnetomotriz pulsante, y
como es de esperarse con esta Fem es imposible que el motor arranque, (sucede lo mismo
que ocurre con el motor monofásico).
2.4.2 Con capacitor de arranque
Para solucionar el problema anterior y trabajar este motor trifásico con energía monofásica
la solución es colocar un capacitor entre los terminales 2 y 3, como se muestra en la figura
(2.4.2), con este capacitor se logra un desfase y de este modo se logra que el motor
arranque, esto se demostrara a continuación.
Figura 2.10 Esquema de las bobinas del estator del motor trifásico
Considerando el desfase provocado por este capacitor añadido entre las terminales 2 y 3 se
busca de nuevo las ecuaciones para los campos magnéticos producidos por cada bobina y
obtiene las siguientes ecuaciones:
F1 (α ) = Fm1 sen(ωt ) cos(α )
(2.4.2-1)
26
F2 (α ) = Fm 2 sen(ωt +
π
2
) cos(α + 120)
F3 (α ) = Fm3 sen(ωt ) cos(α − 120)
Este desfase de
π
2
(2.4.2-2)
(2.4.2-3)
es producto de la adición del capacitor al circuito, además con ayuda de
las propiedades y (2.4.1- 7) y (2.4.1- 9) se puede rescribir las ecuaciones del campo
magnético producido por las bobinas de la siguiente manera:
F1 (α ) = Fm1 sen(ωt ) cos(α )
F2 (α ) = Fm 2 cos(ωt )[−
F3 (α ) = Fm 2 sen(ωt )[
Consideramos de nuevo que: Fm 2 = Fm3 =
1
1
3sen(α ) − cos(α )]
2
2
1
1
3sen(α ) − cos(α )]
2
2
(2.4.2-4)
(2.4.2-5)
(2.4.2-6)
1
Fm1
2
Luego obtenemos el flujo total utilizando F (α ) = F1 (α ) + F1 (α ) + F1 (α )
F (α ) = Fm1 sen(ωt ) cos(α ) +
F (α ) = Fm1 sen(ωt ) cos(α ) −
F (α ) =
1
1
Fm1 cos(ωt )[− cos(α ) − 3sen(α )] + Fm1 sen(ωt )[− cos(α ) + 3sen(α ))
4
4
1
3
1
3
Fm1 cos(ωt ) cos(α ) −
Fm1 cos(ωt ) sen(α ) − Fm1 sen(ωt ) cos(α ) +
Fm1 sen(α ) sen(ωt )
4
4
4
4
3
3
1
3
Fm1 sen(ωt ) cos(α ) +
Fm1 sen(α ) sen(ωt ) − Fm1 cos(ωt ) cos(α ) −
cos(ωt ) sen(ωt )
4
4
4
4
La cual puede rescribirse con ayuda de las propiedades (2.4.1- 7) y (2.4.1- 9) como:
1
F (α ) = [3( sen(ωt − α ) + sen(ωt + α )) + 3 (cos(ωt − α ) − cos(ωt + α ))
8
− (cos(ωt ) + cos(ωt + (α )) − 3 (− sen(ωt − α ) + sen(ωt + α ))]
(2.4.2-6)
27
De modo que se obtiene:
1
F (α ) = [(3 + 3 ) sen (ωt − α ) + (3 + 3 ) sen(ωt + α ) + ( 3 − 1) cos(ωt − α ) − ( 3 + 1) cos(ωt − α )]
8
(2.4.2-6)
De aquí se puede observar que esta ecuación corresponde a un campo magnético giratorio,
y este describe el campo magnético que se produce en el interior del motor, producto de
este campo magnético se da el giro en el rotor.
2.4.3 Comportamiento del motor trifásico trabajando con solo dos fases.
Es posible arrancar un motor trifásico a partir de energía monofásica, utilizando un
capacitor de arranque, tal y como se demostró anteriormente, una vez que se tiene el motor
girando se puede desconectar el capacitor de arranque y de este modo dejar el motor
trabajando con energía monofásica. En esta configuración solo se tiene energía en dos de
las tres bobinas del estator de modo que el campo magnético que se que se genera dentro
del motor disminuye su magnitud en comparación a cuando se encuentra trabajando con
energía trifásica, debido a esta disminución en la magnitud del campo también disminuye la
capacidad de entregar potencia del motor ya que pierde el aporte de un arreglo de bobinas,
es decir si antes el campo magnético dentro del motor se describía por la ecuación:
F (α ) = F1 (α ) + F2 (α ) + F3 (α ) donde F1( ), F2( ) y F3( ) representan los aportes de los
arreglos de las bobinas, al estar alimentadas solo dos de las tres fases el campo magnético
28
dentro del motor se puede describir por en la siguiente expresión, como los bobinados del
motor son iguales (carga balanceada) inicialmente cada una aportaría lo mismo al campo
giratorio de modo que al perder una fase se pierde una tercera parte del campo giratorio y
por ende la potencia que puede entregar el motor disminuye aproximadamente una tercera
parte. De aquí el echo que cuando se usa un convertidor estático debe usarse en motores
que trabajen alrededor de un 60% de su carga nominal.
2.5Factores que afectan la eficiencia del convertidor rotatorio
La eficiencia de un convertidor rotatorio esta vinculada a varios factores, como lo son el
factor de potencia de la carga, el nivel de carga, el motor utilizado, estabilidad del sistema
de alimentación monofásico. También como se menciona en el articulo ¨ Application and
performance of rotary phase converters as an alternative to utility supplied three-phase
power ¨, el convertidor se comporta de mejor manera cuando este se encuentra trabajando a
plena carga. Para entender este tema es importante identificar los puntos donde se dan
perdidas.
En un convertidor rotatorio de fase la pieza fundamental esta constituida por en motor
trifásico de inducción, el motor presenta dos tipos de perdidas las perdidas fijas (No
dependen del nivel de carga) y las perdidas variables (Dependen del nivel de carga). Las
perdidas fijas se verán reflejadas directamente en la eficiencia del convertidor, estas
perdidas fijas son básicamente las perdidas en el núcleo y las perdidas por fricción y
29
ventilación, también se debe considerar las perdidas variables aunque el motor que
conforma el convertidor rotatorio trabaja sin carga, siempre se van a presentar ya que
representan la energía que se necesita para mantener girando el convertidor y para producir
el voltaje inducido en la fase manufacturada. Básicamente es en el motor donde se dan las
perdidas en el convertidor los otros elementos donde se podría dar perdidas seria en
contactores, capacitores y cables utilizados pero con un buen diseño serán mínimas.
También es importante el factor de potencia y la eficiencia de la carga, si la carga presenta
un bajo factor de potencia esto implica que va consumir gran cantidad de potencia reactiva,
esto se vera reflejado en un mayor corriente por las líneas L1 y L2, esto aumenta la
potencia de entrada al convertidor, sin embargo la potencia real que se entregada a la carga
será mas pequeña respecto a la potencia reactiva, de modo que el la potencia de entrada
será mayor y la potencia de salida aumentara muy levemente y esto afecta directamente la
eficiencia del sistema convertidor. Algo similar sucede con la variación en la eficiencia de
la carga.
30
CAPÍTULO 3: Diseño y Recomendaciones para la construcción
de convertidores Rotatorios de Fase.
3.1 Consideraciones para el diseño de un convertidor.
Cuando se piensa en implementar un convertidor rotatorio de fase hay que tomar en
consideración varios factores, él más importantes en conocer la carga que se desea
alimentar, o al menos un valor aproximado a la potencia que este debe de suplir. La
potencia del convertidor el parámetro más importante ya que en base a esta es que se
dimensionan los componentes del convertidor.
3.1.1 Recomendaciones de diseño:
3.1.1.1Motor a utilizar:
Como se menciono en el capitulo 2 un convertidor rotatorio de fase puede entregar
una potencia alrededor de 3 veces la potencia nominal del motor que lo conforma, (se habla
de esto para convertidores de fase construidos en fabricas dedicadas a esta tarea, por lo que
se recomienda no diseñar de una forma muy ajustada) de modo que conociendo la carga o
el valor de potencia que debe suplir el convertidor, idealmente se podría escoger un motor
con una potencia nominal de alrededor de 1/3 de la potencia de la carga que se desea
alimentar, se recomienda que la potencia del motor sea un poco mayor.
31
3.1.1.2Capacitores:
Con las recomendaciones obtenidas en diferentes artículos, se toma en cuenta la
consideración de utilizar valores de capacitancia de entre, 50 y 100 F por H.P del motor,
para la capacitancia de arranque y para las capacitancias de trabajo también por
recomendaciones se determina valores de entre 12 y 16 F por H.P del convertidor. [10]
El valor final de la capacitancia de arranque se obtendrá a partir del método de prueba y
error ya que no se cuenta con un modelo matemático para calcular el valor de esta
capacitancia, solo se tiene la recomendación ya mencionada, por lo tanto el valor definitivo
no se conoce.
Para las capacitancias de trabajo se tiene que estas deben tener un valor de entre 12
y 16 F por Hp pero al igual que en el caso de la capacitancia de arranque no se cuenta con
un método matemático donde se obtenga el valor exacto que debe colocarse, además el
convertidor no se comporta de la misma manera entre la línea L1 y T3 que como se
comporta entre la línea L2 y T3 por lo que el valor de la capacitancia C.T 1 de la figura #1
puede ser diferente al valor de la capacitancia C.T 2 colocada entre las líneas L2 y T3, esto
por que internamente el convertidor se comporta de manera asimétrica. La forma de obtener
los valores finales de estas capacitancias es también a prueba y error.
32
3.1.1.3 Valores de capacitancias requeridos:
Para la capacitancia de arranque se debe comenzar probando con valores pequeños
(dentro del rango 50-100uF por Hp) e ir aumentando la capacitancia hasta encontrar un
valor para el cual el motor logra arrancar rápidamente y sin ningún problema.
Capacitancias de trabajo:
Para obtener los valores de las capacitancias de trabajo (C.T 1 y C.T 2) el método a seguir
es el siguiente:
•
Se arranca el motor trifásico por medio del capacitor de arranque.
•
Se verifica que haya
voltaje en la línea T3, este corresponderá al voltaje
generado dentro del convertidor.
•
Con los instrumentos adecuados se miden los valores de tensión entre las
terminales con el fin de ver si se encuentran cercanos entre sí.
•
Inicialmente se colocan valores de capacitancia a C.T1 y C.T2 (dentro del rango
12-16uF por Hp) y se observa si esto mejoro el balance en las tensiones a la
salida del convertidor.
•
Luego de tener algún valor de capacitancia se procede a colocar carga al
convertidor, se trata de cargar desde cero y hasta un valor del 100% de la
carga nominal del convertidor, mientras se coloca carga debe observarse el
comportamiento de las tensiones de salida, si se da el caso que algún voltaje
empieza a caer rápidamente esto en indicio de que necesita un mayor valor de
capacitancia.
33
•
Debe repetirse el paso anterior hasta lograr el mejor balance de tensión posible.
Como el método para encontrar el valor definitivo de estas capacitancias es por prueba y
error es posible que el paso anterior deba de repetirse varias veces hasta encontrar los
valores de capacitancia que dan el mejor balance de tensión.
Es importante mencionar que no se cuenta con un modelo matemático exacto para obtener
los valores de capacitancia esto por que no todos los motores y no todas las cargas son
iguales de modo que el comportamiento varía para cada carga y es imposible prever todos
los compartimientos en una sola ecuación o fórmula.
Al final de este procedimiento para encontrar el valor de los capacitores de trabajo se
espera obtener un comportamiento similar al mostrado en la siguiente figura:
Figura 3.1 Característica de salida de un Convertidor rotatorio
Tensión de línea Vs Carga [2].
34
Para realizar los ajustes en los valores de las capacitancias de trabajo C.T 1 y C.T 2
y de la capacitancia de arranque, se recomienda trabajar con capacitores de valores
pequeños de modo que se pueda ir aumentando suavemente el valor de capacitancia.
Los capacitores a utilizar pueden ser electrolíticos similares a los que utilizan los
motores monofásicos y deben utilizarse capacitores que soporten un voltaje mayor al
voltaje de operación, por ejemplo si fuera un convertidor a 220V los capacitores pueden ser
de 330 V o 370 Vac. Para los capacitores de trabajo también se pueden utilizar capacitores
de aceite ya que estos mantienen el valor de capacitancia a lo largo del tiempo a diferencia
de los electrolíticos que pierden un poco de su capacidad.
Temporización del capacitor de arranque
A la hora de arrancar el motor mediante un capacitor de arranque, es necesario establecer
un tiempo prudencial antes de desconectar este capacitor, este tiempo de desconexión o
tiempo de retardo debe ser tal que se le permita al motor arrancar de manera correcta esta
desconexión del capacitor de arranque se puede realizar mediante un temporizador o relé de
retardo. Un relé de retardo es un relé cuyo contacto de salida se conecta instantáneamente al
aplicar la tensión de alimentación en los bornes A1 y A2 de la bobina. Al quedar sin
alimentación, el relé permanece conectado durante el tiempo ajustado o tiempo de retardo
en este caso, este tiempo se regula mediante el potenciómetro frontal que tiene el relé,
como es de esperar los contactos se desconectan pasado este tiempo de retardo.
35
Un método alternativo para desconectar la capacitancia de arranque en utilizar un conjunto
platino centrífugo, escogido de manera apropiada para la velocidad nominal del motor, este
conjunto platino centrífugo desconectaría la capacitancia de arranque en el momento que el
motor alcance aproximadamente el 80% de su velocidad nominal, en ese momento se puede
decir que el motor esta prácticamente arrancado, esto seria un proceso similar al que se da
en los motores monofásicos cuando se desconecta el bobinado auxiliar.
La opción de sustituir el temporizador por un conjunto platino centrífugo presenta la
ventaja de que la capacitancia de arranque se desconecta una vez que el motor alcanza
alrededor del 80% de su velocidad nominal (se puede decir que el motor esta arrancado)
mientras que el sistema de temporizador desconecta la capacitancia de arranque luego de
un tiempo ´t´ definido por un operador, sin saber a ciencia cierta, si el motor ya esta
arrancado o si por el contrario el tiempo fue mas del necesario.
Calibre de los cables:
Luego de verificar la capacidad del convertidor para la aplicación que se requiera, se puede
hacer referencia a la tabla# 1 para determinar el calibre de los cables y la capacidad de los
fusibles que se deben utilizar, tanto para la entrada monofásica del convertidor como para
la carga. Idealmente la carga debe estar equipada con su propia protección contra
sobrecargas y cortocircuitos así como protecciones para prevenir el funcionamiento con
una sola fase o algún otro tipo de falla [1 ].
36
La siguiente tabla se tomo de un manual de Kay Industries y como se puede
observar esta echa para convertidores que trabajan a 230 y 460 Vac, el objetivo de
incorporar esta tabla es el de brindar una ayuda, así como facilitar el proceso de
dimensionar los cables y fusibles a utilizar para convertidores de diferentes potencias. Es
decisión del diseñador tomar estos valores y analizar la veracidad y funcionalidad de los
datos descritos o si mas bien prefiere realizar sus cálculos y dimensionar los componentes
por si mismo.
Tabla 3.1 Tamaños recomendados para cables y fusibles [1].
Capacidad Hp
1.5
2
3
5
7.5
10
15
20
25
30
40
50
Fusible del convertidor
230V
460V
Tamaño del cable
monofásico(AWG)
230V
460V
10
15
20
30
35
40
60
80
100
125
150
175
5
7.155
10
15
15
20
30
40
50
60
75
80
12
10
8
8
6
4
1
1/0
3/0
4/0
2-1/0
2-2/0
12
12
10
10
8
8
6
4
4
2
1/0
2/0
Tamaño del cable
trifásico(AWG)
230V
460V
12
12
10
10
8
8
6
4
2
1/0
2/0
2/0
12
12
12
12
12
10
10
8
6
6
4
4
37
Notas importantes acerca de la tabla anterior:
Los tamaños de los conductores están basados en conductores de cobre del tipo THHN de
90°C, entubados con tres conductores por conducto y en una temperatura ambiente de
30°C.
Estos son los tamaños mínimos recomendados para la capacidad nominal de la carga en
HP. Se recomienda aumentar el tamaño de los conductores para tramos muy largos de cable
donde la caída de voltaje supere el 3% desde la fuente.
Se debe usar fusibles de acción retardada para proteger al convertidor de fase.
Los conductores trifásicos deben tener las dimensiones correctas para la carga trifásica
total.
38
3.2 Diseño del convertidor a implementar.
Para la implementación del convertidor de fase se utilizara como base un diseño facilitado
por el profesor Jaime Allen Flores, este se muestra en la siguiente figura:
Figura 3.2 Esquema básico del convertidor rotatorio de fase a implementar.
3.2.1 Motor del convertidor:
Como se ha mencionado anteriormente la pieza fundamental de un convertidor rotatorio
consiste en el motor que lo conforma para el convertidor que se implementara en el
39
laboratorio se cuenta con un motor de 3 HP, este motor pertenece a la bodega de la Escuela
de Ingeniería. Eléctrica de la Universidad de Costa Rica, el motor con que se cuenta para
este caso es un motor de rotor devanado, poco común de encontrar en la actualidad y poco
utilizado para elaborar convertidores de fase, pero es con lo que se cuenta así que se
trabajara con este motor, no obstante todas las recomendaciones dadas son completamente
validas para trabajar con motores de rotor de jaula de ardilla. También se menciono
anteriormente un convertidor rotativo puede entregar una potencia de alrededor de tres
veces la potencia nominal del motor que lo conforma, pero este dato se obtuvo de las
especificaciones, para convertidores fabricados en industrias que se dedican exclusivamente
a la construcción de los mismos, como lo son Kay industries, o Phase-A-Matic. Por este
detalle no se puede asegurar que con este motor se podrá construir un convertidor de 9 HP,
tomando esta consideración se decide diseñar un convertidor que pueda entregar alrededor
de 7 HP.
Se sabe que la potencia trifásica consumida por una carga trifásica balanceada se puede
describir por la ecuación:
P = 3V L I L * fp
Donde:
Fp Representa el factor de potencia.
VL Representa el voltaje de Línea.
IL Representa la corriente de línea.
(3.2.1)
40
3.2.2 Calibre del cable:
Tamaño del cable trifásico:
Para este caso se planea implementar un convertidor de 220V por lo cual aproximaremos el
valor de VL a 220 V y fijamos la potencia en 7 Hp que es equivalente a decir 5.2 KW las
incógnitas que nos quedan corresponden a la corriente de línea y al factor de potencia pero
como es conocido el factor de potencia varia dependiendo de la carga, de modo que se
supone el peor caso con un factor de potencia de 0.5. la corriente varia dependiendo del
nivel de carga y también del factor de potencia.
IL = P
( 3V L fp )
(3.2.2)
como ya dijimos se va diseñar para una potencia de 7 Hp lo cual es equivalente a 5.2 KW
además acercamos el valor del voltaje de línea a 220V, y suponemos que en el peor de los
casos tendremos un factor de potencia de 0.4.
I L = 5.2 KW
( 3 * 220 * 0.4)
I L = 34.11A
Con ayuda de la tabla 310.16 del NEC (National Electric Code) se observa que un
conductor de cobre del tipo THHN #10 puede soportar hasta 35 A, pero con el fin de no
realizar un diseño muy ajustado se considera que para la carga de este convertidor seria
bueno utilizar un cable #8 THHN que soporta hasta 50 y de este modo se puede tolerar
algún tipo de sobrecarga pequeña.
Si comparamos este valor obtenido con el valor
41
recomendado en la tabla 3.1 se nota que es el mismo, posiblemente el calculo que se realizo
para obtener el valor en la tabla 3.1 fue similar al utilizado anteriormente.
Tamaño del cable monofásico:
La potencia monofásica consumida será igual a la potencia trifásica entregada mas la
potencia consumida por el motor que conforma el convertidor, mas las perdías que puedan
darse en diferentes puntos del sistema, la diferencia es que del lado monofásico la potencia
entra por dos conductores L1 y L2 si suponemos un sistema balanceado entonces por cada
conductor entrara la mitad de la potencia consumida mas la mitad de las perdidas totales. Si
se realiza la siguiente suposición ignorando las perdidas y suponiendo un factor de potencia
de 0.3. Además se tiene que VL1 = VL2 = 120 V :
PL1 = PL2 =
I L1 = I L 2 =
P3φ
I L1 = I L 2 =
2
*
1
V L1 * fp
5200
2 * (120 * 0.4)
P3φ
2
= VL1 * I 1 * fp
I L1 = I L 2 =
(3.2.3)
P3φ
2
*
1
V L1 * fp
I L1 = I L 2 = 54.17 A
Con ayuda de la tabla 310.16 del NEC se encuentra que un cable # 6 THHN puede
conducir sin ningún problema hasta 65 A, en este caso no se sobredimensiona este
conductor ya queda un rango de casi 10 A y se considera que es suficiente para soportan
alguna sobrecarga pequeña que pudiera presentarse. Si se compara este valor nuevamente
42
con el valor recomendado en la tabla 3.1 tomada del manual de Kay Industries se observa
que se recomienda utilizar el mismo calibre de cable.
3.2.3 Fusibles a utilizar:
Como se ha mencionado anteriormente se deben de usar fusibles de acción retardada, esto
para evitar en los arranques, tanto del mismo convertidor como el arranque de algún motor
que se encuentre alimentado por el convertidor. Es importante mencionar que en este caso
los fusibles protegen el convertidor cada carga trifásica debe tener sus propias protecciones,
y como se puede observar del diagrama básico del convertidor a implementar no toda la
corriente que viene de las líneas monobásicas pasa por el convertidor o mas bien a través
del motor que conforma en convertidor por esto es que los fusibles que se colocan en L1 y
L2 son de valores menores a la corriente que se utilizo para fijar el calibre de los cables.
Para estos fusibles se puede tomar la recomendación del manual de Kay industries, pero es
importante también considerar que el valor máximo de estos fusibles debe ser tal que no se
ponga en riesgo la integridad del motor que conforma el convertidor. Utilizando la
recomendación del manual de Kay industries (Tabla 3.1) se decide utilizar fusibles con
acción retardada de 35 A.
3.2.4 Capacitores a utilizar:
Como se menciono anterior mente para los capacitores tanto de arranque como de trabajo
se utilizaran capacitores del tipo electrolítico, como el método para encontrar los valores
43
exactos de capacitancia son por prueba y error no se puede dar los valores exactos a
utilizar, pero se tiene presente que se recomienda utilizar para la capacitancia de arranque
entre 50y 100 F por Hp del motor, en este caso como el motor es de 3HP esta capacitancia
se utilizara un valor de 260uF, con el cual el motor arranco sin ningún problema. Para los
capacitores de trabajo se utilizaran entre 12 y 16
F por Hp del convertidor, en este caso
como se pretende obtener un convertidor capas de entregar alrededor de 7.5 Hp el valor de
las capacitancias de trabajo estarán en un rango entre 90 y 120 uF, lo mejor es utilizar
varios capacitores de baja capacidad para realizar un ajuste mas fino del valor requerido.
3.2.5 Circuito de control
Para el convertidor que se desea implementar se pretende diseñar un sistema de control
donde para poner en operación el convertidor únicamente sea necesario presionar un botón
al igual que para apagarlo sea suficiente presionar otro botón.
Figura 3.3 Esquema básico del circuito de control de convertidor rotatorio.
44
Este sistema de control planteado en la figura 3.3 no representa una alternativa única, solo
es una sugerencia para este caso. Queda en manos del diseñador elegir el modelo del
sistema de control que desea utilizar. En el caso mostrado en la figura el sistema de control
es a 120Vac, pero dependiendo de las bobinas de los contactores puede ser también a
220Aac
Depende de la Topología escogida el tipo de temporizador que debe utilizarse.
Contactor del motor
Para el caso del convertidor que se desea implementar es necesario contar con un contactor
trifásico que cuente además de con los tres contactos trifásicos (o contactos de potencia)
con al menos un contacto de control del tipo N/A, esto se debe a la disposición de los
elementos que se plantea en el diseño del sistema de control. En cuanto a la corriente que
deben soportar los contactos de potencia estos deben de soportar una corriente igual o
mayor a la corriente nominal del motor. Generalmente los contactores se escogen según la
potencia del motor, para este caso se debe utilizar un contactor para un motor de 3Hp. El
contactor que se va utilizar en el convertidor a implementar es un contactor norma IEC con
capacidad de 18A.
Contactor de arranque
El contactor de arranque utilizado entre las líneas L1 y T3, la tarea de este contactor es
conectar y desconectar el capacitor de arranque, para este contactor puede utilizarse un
contactor de un polo con una capacidad de transporte de corriente igual a la corriente
45
nominal por línea del motor, para el caso se usaría un contactor de 10A, o podría utilizarse
un contactor trifásico mas pequeño, con una capacidad de una tercera parte de la corriente
nominal por línea del motor lo que se debe hacer es conectar los tres contactos de modo que
estos funcionen como uno solo, para este caso se podría utilizar un contactor trifásico de
3A. Para este caso en el contactor de arranque se utilizara un contactor de 18A ya que fue el
más pequeño que se consiguió en el mercado, pero sobra decir que esta sobredimensionado
Temporizador
Por la disposición de los elementos en el diseño del sistema de control se necesita utilizar
un temporizador a la desconexión N/A, este es un relé cuyo contacto de salida conmuta
instantáneamente al aplicar la tensión de alimentación en los bornes A1 y A2 de la bobina y
al quedar sin alimentación, el relé permanece conectado durante el tiempo ajustado por el
potenciómetro frontal, desconectándose al final de dicho tiempo. Para el caso de este
convertidor cuando presionamos en botón ¨ ON ¨ se alimenta la bobina del temporizador y
este cierra sus contactos alimentando de este modo el contactor de arranque cuando se
libera el botón de arranque (ON) se desconecta el temporizador y un tiempo después este
regresa sus contactos al estado normal (N/A) desconectando el contactor de arranque y por
ende el capacitor de arranque.
46
Botones a utilizar
Para los botones a utilizar para encender y apagar el convertidor se debe utilizar uno del
tipo N/A para el botón de encendido y otro N/C para el botón de apagado. Se pueden
utilizar botones de la serie 800T-D del fabricante Allen-Bradley o similares, si se tiene el
sistema de control en un gabinete o caja metálica también pueden utilizarse botones que
viene en su propia carcaza. En el caso del convertidor implementado se utilizara una
botonera ON/OFF independiente que viene en su propia carcaza, esto resulta útil pues da la
posibilidad de colocar el interruptor de encendido y apagado en algún lugar no tan cercano
al convertidor, de modo que no habrá que desplazarse hasta el convertidor para echarlo
andar o detenerlo.
3.3 Variación en los elementos para convertidores de distintas potencias
Anteriormente se dan valores para diferentes elementos (contactores y capacitores),
para el convertidor a implementar (motor de 3Hp), sin embargo es conocido que los valores
y capacidades de estos elementos varían con la potencia del motor utilizado y del
convertidor por lo tanto a continuación se muestra a manera de resumen los valores y
capacidades de los diferentes elementos necesarios para implementar convertidores de
potencias mayores, la potencia de salida del convertidor se aproxima a tres veces la
potencia del motor utilizado.
47
Tabla 3.2 Valores y capacidades de los elementos para convertidores de mayor
potencia.
Capacidad del
convertidor
Capacidad
Motor (Hp)
15Hp
5
22HP
7.5
30 HP
10
Capacidad
Contactores(A)
20
27
40
Aproximado
capacitancia de
arranque(uF)
Calibre de
los cables
Capacitancia de
Trabajo (uF)
1F
266 (2x 233uF) 240 (2x 120uF) 1
444
370
(1x324+1x120) (1x280+1x90) 1/0
840
485
(2x325+1x190) (1x325+1x160) 4/0
3F
6
4
1/0
Como se dijo anteriormente, es responsabilidad de la persona encargada de construir el
convertidor verificar la veracidad y funcionalidad de los datos anteriores.
3.4 Estimación de costos de construcción del convertidor.
En este apartado se realizo una estimación de costos para el convertidor
implementado, aunque el titulo del proyecto habla de convertidores desde 5 y hasta 25 Hp,
se hizo de esta manera ya que para este rango, hay varios valores de potencia posibles y
componentes que varían según este valor de potencia, como sucede con los capacitores,
además de que para un convertidor de una potencia dada hay elementos que no son únicos y
en los que hay varias opciones tal y como sucede con los contactores, de modo que tomar
en cuenta todas estas consideraciones resulta muy difícil y extenso, además de que no se
conocen algunos valores para otro convertidor, como lo es la corriente nominal del motor,
utilizada para obtener el contactor que se necesita.
48
Una ves que se conoció el valor de la corriente nominal del motor que se iba utilizar se
procedió a buscar un contactor adecuado, se encontraron los siguientes precios:
Tabla 3.3 Precio de Contactores aptos para el motor del convertidor.
Articulo
Contactor 3Hp
Contactor 7,5Hp
Contactor 3 Hp
Contactor 3 Hp
Contactor 3Hp
Contactor 3Hp
Contactor 18A
Contacto auxiliar
Fabricante
Cutler Hammer
Cutler Hammer
Cutler Hammer
Cutler Hammer
Cutler Hammer
Cutler Hammer
Modelo
C25DND315A
C25DND325A
CE12BNB310A
XTCE009B10A
CE12CNB310
CE15CNS3AB
LC1-D1810
Cutler Hammer C320MCF11
Características
Sin contactos auxiliares
Sin contactos auxiliares
Sin contactos auxiliares
Contacto auxiliar 1N/A (IEC)
Contacto auxiliar 1N/A (IEC)
Contacto auxiliar 1N/A
Contacto auxiliar 1N/A
1N/a-1N/C
Punto de venta
EATON
EATON
EATON
EATON
EATON
EATON
GINES Electric
EATON
Costo
¢19000
¢20300
¢24000
¢37800
¢26500
¢46900
¢4700
¢9700
Para el temporizador necesario para conectar y desconectar la capacitancia de arranque solo
se encontraron dos, ambos en Gines Electric.
Tabla 3.4 Precio de temporizadores.
Articulo
Temporizador
Temporizador
Características
Temporizador 120V
Temporizador 220V
Punto de venta
GINES Electric
GINES Electric
Costo
¢7670
¢18200
Aunque lo mas común en este tipo de convertidores es utilizar un temporizador, para
desconectar la capacitancia de arranque también se puede tomar en cuenta la opción de
sustituirlo por un conjunto platino centrífugo, que se encargaría de desconectar la
capacitancia de arranque cuando el motor del convertidor alcance alrededor del 80% de su
velocidad nominal, el inconveniente es que se debe realizar un delicado trabajo sobre el
motor para poder acoplar este conjunto.
Los capacitores tanto de arranque como de trabajo se localizaron en tres puntos de venta,
Componentes Electromecánicos, PEGSA y Gines Electric, es este caso se busco posibles
49
valores de capacitancia, para el convertidor que se implemento, hay valores pequeños de
capacitancia pues estos son útiles al momento de realizar el balance de voltaje, pues dan la
opción de agregar capacitancia poco a poco hasta encontrar el valor adecuado.
Tabla 3.5 Precio de Capacitores para el convertidor.
Articulo
Capacitor Arranque
Capacitor Arranque
Capacitor de trabajo
Capacitor de trabajo
Capacitor de trabajo
Capacitor de trabajo
Capacitor Arranque
Capacitor Arranque
Capacitor de trabajo
Capacitor de trabajo
Capacitor de trabajo
Capacitor de trabajo
Capacitor Arranque
Capacitor Arranque
Capacitor de trabajo
Capacitor de trabajo
Capacitor de trabajo
Características
Capacitor 220V 130-159 uF
Capacitor 220V 124-149 uF
Capacitor 220V 12 uF
Capacitor 220V 60 uF
Capacitor 370V 15 uF
Capacitor 220V 30 uF
Capacitor 220V 130-159 uF
Capacitor 220V 124-149 uF
Capacitor 370V 12 uF
Capacitor 370V 15 uF
Capacitor 370V 15 uF
Capacitor 440V 60 uF
Capacitor 220V 130-159 uF
Capacitor 220V 124-149 uF
Capacitor 370V 30uF
Capacitor 370V 15 uF
Punto de venta
GINES Electric
GINES Electric
GINES Electric
GINES Electric
GINES Electric
GINES Electric
Comp Electromec
Comp Electromec
Comp Electromec
Comp Electromec
Comp Electromec
Comp Electromec
PEGSA
PEGSA
PEGSA
PEGSA
PEGSA
Costo
¢1605
¢1425
¢1425
¢5625
¢1600
¢2530
¢7140
¢6640
¢6615
¢6915
¢10870
¢15640
¢2475
¢2370
¢2370
¢3925
¢3010
También es importante considerar un par de botones ON/OFF para poner en
operación y detener el convertidor y algún tipo de gabinete metálico donde colocar los
contactores y capacitores, se encontraron los siguientes precios en GINES Electric:
Tabla 3.6 Precio de botonera y gabinete
Articulo
Botonera doble
Gabinete metálico
Características
Botones ON/OFF
Punto de venta
GINES Electric
GINES Electric
Costo
¢3260
¢20000
Para el calculo del costo de mano de obra en la construcción de un convertidor de
fase se busco en el Ministerio de Trabajo el salario mínimo para un Electricista un técnico
50
calificado y un técnico especializado, ya que se considera que teniendo el diagrama de
conexión y un procedimiento adecuado, cualquier persona con algún conocimiento en
electricidad puede llevar a cabo el montaje del convertidor. Los salarios encontrados
fueron los siguientes:
Tabla 3.7 Precio de posible mano de obra.
Puesto
Técnico calificado
Técnico especializado
Electricista
Salario por jornada ordinaria
¢5206
¢5720
¢5970
Por la experiencia obtenida con la implementación del convertidor de fase se
considera que una ves que se tiene a mano todos los componentes necesarios para la
implementación, dos días es tiempo suficiente para construirlo, realizar las pruebas
necesarias para balancear los voltajes y dejarlo operando. Tomando como base los salarios
mostrados anteriormente se estima que la mano de obra puede tener un costo aproximado a
los ¢15000.
En cuanto al cable necesario para implementar el convertidor no se considero ya que la
longitud de este depende de varios factores como lo son la distancia entre el convertidor y
la fuente monofásica, así como la distancia que ahí desde el convertidor hasta las cargas
trifásicas que se deseen alimentar.
Los convertidores Rotatorios de Fase se utilizan en lugares donde no se cuenta con el
servicio de energía trifásica por parte de la compañía de distribución eléctrica.
51
Generalmente los lugares donde se trabaja con estos convertidores son zonas alejadas,
donde resulta imposible encontrar los componentes para construir o reparar uno de estos
convertidores, de aquí la importancia de utilizar componentes de mayor calidad al momento
de construir convertidores rotatorios, pues se espera obtener una larga vida útil, además
considerando que según la zona geográfica donde se encuentre operando en caso de que
algún componente falle se puede tardar días en conseguir la refacción necesaria y esto
implicaría detener la producción o parte de ella. Por otro lado si se tiene a la mano
cualquier refacción que se pueda necesitar y el proceso de cambiar una pieza solo tomaría
una o dos horas, detener el trabajo por este periodo no resulta tan critico de modo que nos
podemos dar la libertad de utilizar componentes de una menor calidad y por ende menor
precio.
3.5.1 Costos de producción convertidor implementado.
Una vez seleccionados los componentes que se van utilizar para implementar el convertidor
se procedió a cotizarlos en diferentes lugares, una vez que se conocieron los precios se
realizaron tres elecciones de componentes, con el fin de conocer los posibles costos de
construcción del convertidor.
52
Tabla 3.8 Elección #1 Precio de componentes para el convertidor implementado.
Componente
Motor 3F 3HP
Contactor 18A
Capacitor de arranque (220V 130uF)
Capacitor de trabajo (300V 60uF)
Capacitor de trabajo (300V 30uF)
Capacitor de trabajo (370V 15uF)
Capacitor de trabajo (370V 12uF)
Conector para capacitor
Botonera doble (ON/OFF)
Gabinete metálico
Mano de obra
Total
Cantidad
1
2
2
2
2
2
2
30
1
1
Costo
¢88524
¢9400
¢3210
¢11250
¢5060
¢3200
¢3175
¢1700
¢3260
¢20000
¢15000
Punto de venta
Gines Electic
Gines Electic
Gines Electic
Gines Electic
Gines Electic
Gines Electic
Gines Electic
Componentes Electromecánicos
Gines Electic
Gines Electic
¢163780
Los componentes para el convertidor implementado en el laboratorio tuvieron un costo de
¢37000 aproximadamente ya que no se compro ni la botonera ni el gabinete metálico,
además tampoco se pago mano de obra, es importante recalcar que los componentes
utilizados son los más económicos que se encontraron. Los contactores son contactores
genéricos de Telemecanique y los capacitores son en encapsulado plástico. Para estos
convertidores es recomendable colocar la circuitería (contactores, capacitores) en un
gabinete metálico, esto no se hizo para reducir costos pues la implementación solo fue
temporal.
3.5.2 Costos de producción de convertidores utilizando diferentes componentes
Como una opción de mayor calidad para los contactores tenemos los contactores Cutler
Hammer, distribuidos por EATON, así como capacitores en encapsulado metálico, de
modo que se pueden dar varias configuraciones que den como resultado diferentes precios.
53
A continuación se muestran un par de posibles configuraciones de elementos para construir
un convertidor de una capacidad similar a la del convertidor implementado.
Tabla 3.9 Elección #2 Precio de componentes para un convertidor de 7.5 Hp.
Componente
Motor de inducción 3Hp
Contactor 3 Hp (1 cont aux N/A)
Contactor 3 Hp (sin cont aux )
Capacitor de arranque (220V 130uF)
Capacitor de trabajo (370V 60uF)
Capacitor de trabajo (370V 30uF)
Capacitor de trabajo (370V 15uF)
Capacitor de trabajo (370V 12uF)
Conector para capacitor
Botonera doble (ON/OFF)
Gabinete metálico
Mano de obra
Total
Cantidad
1
1
1
2
2
2
2
2
30
1
1
Costo
¢88524
¢26500
¢19000
¢4950
¢4712
¢7850
¢6020
¢13164
¢1700
¢3260
¢20000
¢15000
Punto de venta
Gines Electic
EATON
EATON
PEGSA
PEGSA
PEGSA
PEGSA
PEGSA
Comp. Electromecánicos
Gines Electic
Gines Electic
¢220700
Tabla 3.10 Elección #3 Precio de componentes para un convertidor de 7.5 Hp.
Componente
Motor de inducción 3Hp
Contactor 3 Hp (1 cont aux N/A)
Contactor 3 Hp (sin cont aux)
Capacitor de arranque (220V 130uF)
Capacitor de trabajo (3V 60uF)
Capacitor de trabajo (370V 30uF)
Capacitor de trabajo (370V 15uF)
Capacitor de trabajo (370V 12uF)
Conector para capacitor
Botonera doble (ON/OFF)
Gabinete metálico
Temporizador 120Vac
Mano de obra
Total
Cantidad
1
1
1
2
2
2
2
2
30
1
1
1
Costo
¢88524
¢37800
¢19000
¢14280
¢31280
¢21740
¢13835
¢13164
¢1700
¢3260
¢20000
¢7670
¢15000
Punto de venta
Gines Electic
EATON
EATON
Comp. Electromecánicos
Comp. Electromecánicos
Comp. Electromecánicos
Comp. Electromecánicos
Comp. Electromecánicos
Comp. Electromecánicos
Gines Electic
Gines Electic
Gines Electic
¢261585
54
Como se mostró anteriormente el precio de los componentes varia bastante dependiendo del
lugar donde se compren, anteriormente se han mostrado 3 configuraciones con
componentes comprados en distintos lugares, no se puede asegurar que el costo de
producción de convertidores rotatorios de fase sea fijo. Con los datos anteriores se trata de
dar una idea de los posibles costos de producción, pero finalmente la elección de los
componentes dependerá de la persona encargada de construir el convertidor.
Tabla 3.11 Resumen de costos de producción para las diferentes elecciones de
componentes
Configuración de componentes
Costo
Elección #1 Tabla 3.8
¢163780
Elección #2 Tabla 3.9
¢220700
Elección #3 Tabla 3.10
¢261585
3.6 Recomendaciones para la construcción y operación de convertidores
rotatorios de fase.
•
La potencia del motor mas grande que se desee alimentar con el
convertidor debe ser menor y máximo igual a la potencia del motor que
conforma el convertidor.
55
•
Se debe utilizar fusibles de doble elemento y acción retardada, no se
deben de usar interruptores comunes pues no soportan la corriente
necesaria para poner en marcha el convertidor de fase.
•
Se recomienda cortar el eje del motor que conforma el convertidor ya
que de todos modos el motor no se utilizara para entregar potencia
mecánica y de esta manera se evita alguna clase de accidente.
•
Se recomienda montar el convertidor sobre algún tipo de almohadilla de
montaje con el fin de minimizar el ruido y de amortiguar las vibraciones
del convertidor, esto es importante ya que las vibraciones podrían aflojar
las conexiones en los terminales del motor, además de dañar los
rodamientos del motor (Roles o cojinetes).
•
Es importante escoger una buena ubicación para colocar el convertidor
ya sea cerca del suministro de energía monofásica o de la carga trifásica,
además al seleccionar la ubicación se debe buscar una ventilación
adecuada y un ambiente seco, libre de suciedad, limaduras, aserrín, etc.
•
Es importante conectar a tierra la armadura del motor que conforma el
convertidor, e identificar
los cables que conforman el conjunto
(convertidor), L1, L2, T1, T2, T3, esto con el fin de facilitar el manejo
de los mismos además de evitar confusiones.
•
Al momento de poner en marcha el convertidor no debe haber carga
conectada, al igual que cuando este se va apagar, primero debe de
56
desconectarse todas las cargas que esté alimentando y luego detener el
convertidor.
•
Se recomienda colocar toda la circuitería necesaria para la operación del
convertidor dentro de un gabinete o caja metálica, para evitar la
manipulación no deseada de los diferentes elementos.
•
Cada carga que se alimente con el convertidor debe contar con sus
propias protecciones contra sobrecarga y cortocircuito.
•
Se recomienda utilizar componentes de buena calidad cuando el
convertidor se instale en lugares alejados, donde conseguir alguna
refacción se dificulte, pues detener la operación del convertidor por
algunos días puede representar grandes perdidas económicas.
57
Capitulo 4 Pruebas Realizadas al Convertidor Implementado
Para complementar lo mencionado en este trabajo, se implemento un convertidor de fase
en el laboratorio de Maquinas Eléctricas de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la
Universidad de Costa Rica, la idea de esto fue realizar pruebas a este convertidor con el fin
de corroborar el comportamiento del voltaje de Salida, respecto al aumento de la carga, y
obtener datos acerca de la eficiencia del convertidor.
Para obtener los datos se utilizo un analizador de circuitos, Marca Amprobe perteneciente a
la Escuela de Ingeniería Eléctrica Universidad de Costa Rica.
4.1 Característica de salida
Para colocar carga al convertidor de fase se utilizo un motor de inducción Siemens de 3Kw
(4Hp), este no es el mejor método pues para este tipo de convertidores, lo recomendable es
que el motor mas grande que se alimenta sea de una potencia menor o máximo igual al
motor del convertidor, sin embargo se hizo de esta manera pues no se contaba con ningún
otro elemento para colocar carga al convertidor, el método que se siguió para realizar esta
prueba fue el siguiente:
Se arranca el convertidor de fase en vació, una vez que se tiene el convertidor listo para
cargar se procedió a alimentar el motor de inducción de 4hp, este motor se arranco en
vació, pues como se menciono anteriormente, este motor excede la potencia máxima
recomendada para este convertidor, una ves arrancado este motor de 4Hp, se procede a
58
colocarle cargar mecánica, esto con ayuda del freno magnético con que se encuentra en el
banco de pruebas Siemens, al cual también pertenece el motor de 4Hp. La carga se va
aumentando suavemente pues se desea obtener un grafico de voltajes, con el mayor numero
de puntos posibles. Es importante mencionar que para obtener un grafico mas amplio se
sobrecargo un poco el motor de 4Hp, esto se hizo, pues fue una sobrecarga momentánea
para tomar los datos y el lapso de sobrecarga fue de alrededor de 30s, es por esto que en el
gráfico de voltaje vs Carga, se observa como la potencia de salida del convertidor llega
hasta aproximadamente 6Kw.
Es importante comentar que en laboratorio no se encuentra voltaje a 220Vac por lo
cual se utilizo 208Vac (teóricamente), aunque en realidad lo que se tiene en las cajas de
distribución es un valor entre 205 y 203 Vac.
4.1.1 Valores de Capacitancias Utilizados
Aunque en diversos puntos del trabajo se hablo de valores de capacitancia recomendados y
valores de capacitancia tentativos, no fue hasta que se realizo el montaje que se obtuvieron
los verdaderos valores de capacitancia.
4.1.1.1 Capacitancia de Arranque
En las recomendaciones y el diseño se comenta acerca de utilizar valores entre 50 y 100uF
por Hp del motor del convertidor, para la capacitancia de arranque, en el convertidor
implementado se utilizaron dos capacitores de 130uF para un total de 260uF de
capacitancia de arranque, con este valor el motor arranca sin ningún problema y el tiempo
59
de arranque es bastante pequeño, se considera que esta entre 1 y 2 segundos, en conclusión
para este convertidor se utilizo en promedio 89.6 uF por Hp para el arranque.
4.1.1.2 Capacitancias de Trabajo
Para encontrar los valores de capacitancia de trabajo se inicio con la recomendación de
utilizar entre 12 y 16 uF por Hp del convertidor, como se pensaba en un convertidor de
alrededor de 7Hp se inicio con un valor de 75 uF tanto en CT1 como CT2, se siguió el
procedimiento planteado en el punto 3.1.1.3 y sucedió lo siguiente:
El valor de capacitancia de 75uf entre las líneas T2 y T3 es suficiente para mantener el
voltaje en un valor bastante aceptable, es más este voltaje se mantiene por encima de la
tensión entre T1 y T2 (204vac) y como se puede observar de la figura 4.1 alcanza ese valor
(204Vac) cuando el convertidor entrega aproximadamente 6Kw (8hp). Entre las líneas T1 y
T3 no sucedió lo mismo pues el voltaje aquí fue muy difícil de regular, entre estas líneas se
coloco hasta un valor de 144 uf y sin embargo no se pudo obtener un comportamiento tan
cercano al de la tensión entre T2 y T3. No se coloco mas capacitancia entre estas líneas
pues no era mucho lo que se ganaba por uf, experimentalmente se noto que añadiendo un
capacitor de 12uF el voltaje solo aumentaba alrededor de 5 Vac, para la condición en la que
se tenia operando el motor en vació, P = 599,27W, sin embargo la rapidez con que esta
tensión disminuía, variaba muy poco, de modo que se tomo la decisión de dejar el valor de
CT2 en este punto (144uF). Este comportamiento se puede observar en la figura 4.1.
60
Comportamiento del voltaje de línea T1-T3 para diferentes valores
de capacitancia
235
Voltajes de línea
225
215
Voltaje T1-T3 144uF(CT1)"
205
Voltaje T1-T3 105uF(CT1)
195
Voltaje T1-T3 90uF(CT1)
185
Voltaje T1-T2
175
Voltaje T2-T3 (75uF, CT2)
165
155
145
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Potencia de salida (W)
Figura 4.1 Comportamiento de la tensión entre T1 y T3 para distintos
valores de capacitancia.
En la figura anterior se muestra el cambio en la tensión T1-T3 para distintos valores de
capacitancia, se colocaron también las tensiones T1-T2 y T2-T3 (capacitancia de 75uF),
para dar una perspectiva más real de la magnitud de la tensión T1-T3 respecto a las otras 2
tensiones de línea. Para obtener estos datos se tenia el analizador trifásico tomando
muestras cada segundo por lo que para trabajar con mas facilidad se tomaron algunas
muestras del total de los datos recolectados.
Finalmente entre las líneas T1 y T3 se dejo el valor de capacitancia de 144uF y con este
valor se obtuvo el siguiente grafico donde se muestra la característica de salida final
obtenida con el convertidor implementado.
61
Voltaje de línea (Vac)
Voltaje de Salida Vs Carga
235
225
215
205
195
185
175
165
155
145
T1 a T2
T2 a T3
T1 a T3
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Potencia (W)
Figura 4.2 Característica de Salida del convertidor implementado.
En la figura anterior se describe el comportamiento de la tensión en terminales del
convertidor de fase, ante el aumento en la carga, si se hace una comparación entre este
grafico obtenido y el comportamiento que se muestra en la nota teórica, se puede notar que
el comportamiento es muy similar, con algunas diferencias como que en este caso la
tensión entre las terminales T1 y T3 cae mas rápidamente que la tensión entre las
terminales T2 y T3. Esta diferencia tan notable que se da entre los voltajes puede ser
producto de un desbalance en los devanados del estator del motor que conforma el
convertidor, ya que esta tensión entre las líneas T1 y T3 fue muy difícil de balancear y de
echo si se compara los valores de capacitancia de trabajo, se puede observar que hay una
diferencia importante entre las capacitancias C.T1 y C.T2. Un factor que contribuyo con
este comportamiento es que el factor de potencia de la carga no es fijo, como ya se explico
anteriormente, para aplicar carga se utilizo un motor trifásico y es conocido, estas maquinas
62
no tienen un factor de potencia fijo, sino que en vació presentan un factor de potencia bajo
y el mismo mejora al aumentar el nivel de carga. Lo ideal habría sido realizar esta prueba
para un factor de potencia fijo, aumentando el nivel de carga pero manteniendo fijo factor
de potencia, esta tipo de prueba no se realizo ya que no se cuenta con el equipo necesario.
Aunado a esto hay que considerar que otro factor que puede haber influido en este
comportamiento es el echo de que el motor del convertidor esta echo para operar a 220Vac
mientras que en laboratorio lo que se tiene a mano son 204V, por lo que el campo
magnético generado dentro del motor debe ser un poco menor al campo magnético que se
da si este opera con 220Vac, por ende la tensión inducida en T3 también debe de ser un
poco menor.
4.1.1.3 Zona de operación del convertidor implementado
Respecto a la zona de trabajo del convertidor implementado se puede decir que la mejor
zona de operación se da entre 3.7 Kw y 4.3 Kw, esto se afirma considerando un desbalance
máximo de un 5% respecto a la base, es decir para el punto de 3.7 Kw la tensión entre T1 y
T3 presenta un desbalance de 3% por debajo y la tensión entre T2 y T3 presenta un
desbalance de 5% por encima, luego para el segundo punto(4.2 Kw) la tensión entre T1 y
T3 presenta un desbalance de 5% por debajo y la tensión entre T2 y T3 presenta un
desbalance de 3% por encima de la base.
63
Factor de potencia trifasico de la carga
Factor de Potencia
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
FP
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Potencia Trifásica de Salida trifasica (W)
Figura 4.3 Comportamiento del factor de potencia de la carga alimentada.
4.2 Eficiencia del convertidor
Otro punto importante del presente trabajo es encontrar datos para la eficiencia del
convertidor, los resultados obtenidos se muestran en el siguiente gráfico.
64
Eficiencia Vs Carga
100
Eficiencia
95
90
85
Eficiencia
80
75
70
0
2000
4000
6000
Potencia de Salida (W)
Figura 4.4 Comportamiento de la eficiencia del sistema.
En el grafico anterior se muestra el comportamiento de la eficiencia en el convertidor, se
puede observar como la eficiencia tiende aumentar conforme aumenta la carga aplicada al
convertidor, cabe mencionar que en este caso la carga utilizada fue un motor, estos presenta
la característica de mejorar eficiencia y factor de potencia conforme aumenta la potencia
mecánica que entrega y esto se reflejara también en la eficiencia del sistema convertidor de
fase. Se observa como la eficiencia mínima obtenida es de alrededor de 76% y la mejor
eficiencia obtenida es de alrededor de 96%, como se puede observar la eficiencia de este
convertidor es bastante alta, pues las perdidas básicamente consisten en la potencia
necesaria para mantener girando el motor en vació. Si este convertidor se operara a un nivel
de carga superior a los 3Kw presentara un eficiencia
representa un valor es bastante bueno.
de alrededor del 95% lo cual
65
Procedimiento seguido para encontrar la eficiencia del convertidor implementado, para
encontrar la eficiencia del convertidor, se utilizo un análisis, entrada salida, de todo el
sistema, para esto e utilizo, básicamente dos equipos, un osciloscopio marca Fluke, y un
analizador trifásico marca Amprobe, ambos propiedad de la Escuela de Ingeniería
Eléctrica, de la Universidad de Costa Rica. El analizador se utilizo para conoces el
comportamiento de salida del convertidor, y el osciloscopio para conocer la potencia de
entrada al sistema, el procedimiento seguido fue el siguiente:
Se programo el analizador trifásico, para tomar muestras cada 5segundos , de modo que
cada 5 segundos se guardan los datos de la potencia entregada, al mismo tiempo se tiene el
osciloscopio conectado a la entrada del sistema, este se coloco para medir potencia de
entrada y factor de potencia.
Se da inicio al proceso de medición se registra la potencia y factor de potencia a la entrada,
también se registra el numero de muestra que esta tomando el analizador trifásico, de modo
que se pueda relacionar esta potencia de entrada, con el dato de potencia de salida que se
encuentra en la muestra ” #x” de los datos que registra en analizador trifásico.
Luego de tener relacionados los datos, se procede a obtener la eficiencia utilizando la
relación % Eficiencia =
PSalida
PEntrada
*100
66
Capitulo 5 Conclusiones y Recomendaciones
Recomendaciones para montar y operar Convertidores rotatorios de fase.
•
La potencia del motor mas grande que se desee alimentar con el
convertidor debe ser menor y máximo igual a la potencia del motor que
conforma el convertidor.
•
Se debe utilizar fusibles de doble elemento y acción retardada, no se
deben de usar interruptores comunes pues no soportan la corriente
necesaria para poner en marcha el convertidor de fase.
•
Se recomienda cortar el eje del motor que conforma el convertidor ya
que de todos modos el motor no se utilizara para entregar potencia
mecánica y de esta manera se evita alguna clase de accidente.
•
Se recomienda montar el convertidor sobre algún tipo de almohadilla de
montaje con el fin de minimizar el ruido y de amortiguar las vibraciones
del convertidor, esto es importante ya que las vibraciones podrían aflojar
las conexiones en los terminales del motor, además de dañar los
rodamientos del motor (Roles o cojinetes).
•
Es importante escoger una buena ubicación para colocar el convertidor
ya sea cerca del suministro de energía monofásica o de la carga trifásica,
67
además al seleccionar la ubicación se debe buscar una ventilación
adecuada y un ambiente seco, libre de suciedad, limaduras, aserrín, etc.
•
Es importante conectar a tierra la armadura del motor que conforma el
convertidor, e identificar
los cables que conforman el conjunto
(convertidor), L1, L2, T1, T2, T3, esto con el fin de facilitar el manejo
de los mismos además de evitar confusiones.
•
Al momento de poner en marcha el convertidor no debe haber carga
conectada, al igual que cuando este se va apagar, primero debe de
desconectarse todas las cargas que esté alimentando y luego detener el
convertidor.
•
Se recomienda colocar toda la circuitería necesaria para la operación del
convertidor dentro de un gabinete o caja metálica, para evitar la
manipulación no deseada de los diferentes elementos.
•
Cada carga que se alimente con el convertidor debe contar con sus
propias protecciones contra sobrecarga y cortocircuito.
•
Se recomienda utilizar componentes de buena calidad cuando el
convertidor se instale en lugares alejados, donde conseguir alguna
refacción se dificulte, pues detener la operación del convertidor por
algunos días puede representar grandes perdidas económicas.
68
Recomendaciones acerca del equipo necesario
•
Para realizar las pruebas de una manera adecuada se necesita contar con
alguna especie de cajas de resistencias y caja de inductancias de modo
que se pueda variar la carga manteniendo fijo el valor de factor de
potencia, estas cajas de resistencias e inductancias pueden ser similares a
las que vienen con el equipo “labvolt” pero para una mayor capacidad
podríamos hablar de un equipo de una potencia de alrededor de 7Kw.
También es necesario contar con algunos motores trifásicos pequeños (1
o 2 Hp) y contar con dinamómetros de modo que podamos aplicar carga
a estos motores.
•
La escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica, a
excepción del motor trifásico, no cuenta con los elementos necesarios
para implementar un convertidor rotatorio de fase, ni ningún otro
laboratorio donde se opere con equipo real (potencias superiores a 1Hp),
por lo que se recomienda obtener el equipo necesario para elaborar
alguna clase de laboratorio donde se aproveche los motores y
generadores con que se cuenta, estos son básicamente los del banco de
pruebas Siemens. Dentro de este equipo que se necesita podemos
mencionar cajas de resistencia inductancias, algún tipo de torquimetro,
capacitores, contactores y por su puesto plantear algunos laboratorios
con estos equipos.
69
Conclusiones obtenidas de la teoría
•
Los convertidores de fase, tanto estáticos como dinámicos representan
una solución muy útil para utilizar equipo trifásico en lugares donde la
compañía de distribución eléctrica no brinda el servicio.
•
Los convertidores rotatorios presentan la ventaja sobre los convertidores
estáticos de generar la tercera fase mientras que los convertidores
estáticos, solo la generan momentáneamente, durante el periodo de
arranque de los motores.
•
Los convertidores de fase estáticos únicamente pueden utilizarse en
motores, además estos motores deben trabajar con un bajo nivel de carga
de alrededor del 60%, pues no generan la tercera fase de modo continuo.
•
La principal ventaja de utilizar convertidores rotatorios de fase es que se
puede alimentar cualquier tipo de carga trifásica, a diferencia de los
convertidores estáticos que solo pueden manejar motores, se puede
operar motores que necesiten operar a un alto nivel de carga.
•
Construir un convertidor rotatorio de fase representa una tarea bastante
simple, es suficiente tener conocimientos básicos en electricidad y un
diagrama básico de conexión, para realizar esta tarea.
•
Las perdidas que se dan en un sistema convertidor rotatorio de fase,
principalmente se dan en el motor que conforma el convertidor, pero
como este se encuentra trabajando en vació (no entrega carga mecánica
70
las perdidas son fijas), de modo que conforme aumenta la potencia
entregada, las perdidas se van a ver mas pequeñas respecto a la potencia
entregada.
Conclusiones obtenidas del trabajo en el laboratorio
•
Para el sistema convertidor de fase implementado se obtuvo una
eficiencia máxima de
96%, para cargas por encima de 4Kw y una de
76% para una carga de 630W.
•
El convertidor implementado presenta buena eficiencia pues para cargas
por encima de 1.5Kw la eficiencia es mayor al 90%, como este tipo de
convertidores generalmente operan bajo una condición de carga cercana
a la nominal se podría decir que se tendrá una eficiencia de alrededor del
95%.
•
Para los resultados obtenidos en el laboratorio se puede concluir que el
convertidor implementado debe de operarse en un rango de potencia
cercano a los 3.5Kw, esto por el comportamiento de la tensión T1-T3,
pero debe de considerarse el disminuir un poco la capacitancia entre T2
y T3 con el fin de obtener un voltaje T2-T3 mas cercano al valor que hay
entre T1 y T2.
71
•
En el convertidor montado en el laboratorio presenta un voltaje de línea
T2-T3 muy elevado respecto a la tensión entre T1 y T2 la solución a este
problema es disminuir el valor de capacitancia entre T2 y T3. ya que
operar con una tensión muy elevada producirá un calentamiento mayor
al normal y esto dañaría el aislamiento en el caso de motores, y podría
dañar los equipos en otros tipos de cargas.
•
La mejor manera de probar el comportamiento de este convertidor es
cargarlo con un motor de una capacidad máxima de 3Hp y luego varias
cargas trifásicas de menor potencia, por ejemplo 4 o 5 motores de 1Hp.
•
Las manera en que se coloco carga al convertidor implementado no es la
mejor, pues este se cargo con un motor de 4Hp, lo cual excede la
potencia máxima recomendada para este convertidor.
•
Se mostró que implementar un convertidor rotatorio de fase resulta una
tarea simple, y mas bien la parte mas importante de este montaje consiste
en las pruebas que se deben realizar para balancear los voltajes, así como
analizar el comportamiento que presenta, al alimentar la carga deseada.
72
BIBLIOGRAFÍA
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rotativo¨.
http://www.kayind.com/pdf_files/technical_documents/MA_Installation_Instruction
s.pdf.
2. Larry H.Kats ¨ Application and performance of rotary phase converters as an
alternative to utility supplied three-phase power¨.
http://www.kayind.com/pdf_files/articles/NAB_proceedings.pdf
3. Matt Isserstedt “Building an Auto-Start Rotary Three Phase Converter¨.
http://www.metalwebnews.com/howto/phase-converter/3-phase.pdf
4. Kats, Larry H. “How phase converters apply motors part 1” ,
http://www.kayind.com/pdf_files/articles/power_transmission_part1.pdf
5. Kats, Larry H. “How phase converters apply motors part 2” ,
http://www.kayind.com/pdf_files/articles/power_transmission_part2.pdf
6. Hamler A.J “All in One Phase Converter Promises Easy Installation”,
http://www.kayind.com/pdf_files/articles/wood_shop_news.pdf
7. Chapman, J. Máquinas Eléctricas. Cuarta Edición, MacGraw-Hill, México, 2005.
8. Capacitores Electrolíticos
http://www.comunidadelectronicos.com/articulos/electroliticos.htm
9. Phase-A-MAtic ¨ Convertidores estáticos ¨
http://www.convertidorestrifasicos.com/EstaticosDescripcion.htm
10. Jim Hanrahan ¨ Building a Phase Converter¨
http://profesor08.eie.ucr.ac.cr/cegec_mo/mod/resource/view.php?inpopup=true&id=316
11. Ramon mujal Rosas ¨ Motor asíncrono trifásico con rotor de chapas en espiral ¨
Tesis Doctoral Universidad Politécnica de Catalunya.
73
12. The 3 Phase Power Resource Site ¨ Static Phase Converter ¨
http://www.3phasepower.org/staticphaseconverters.htm
13. Convertidores Trifásicos ¨ usos de convertidores estáticos¨
http://www.convertidorestrifasicos.com/images/Instal3.gif
14. Motor de jaula de ardilla.
http://www.anser.com.ar/ms1.jpg
Anexos
A continuación se muestran las tablas con los datos que se utilizaron para obtener los
gráficos anteriores, La mayoría de las tablas están editadas ya que el equipo utilizado para
obtener las mediciones toma muestras cada segundo de modo que gran cantidad de los
datos son redundantes, además de que en el periodo de medición se tomaron alrededor de
200 muestras, en algunos casos lo que se hizo fue muestrear algunos puntos de interés y
utilizar estos para graficar.
Tabla A.1 Datos utilizados para obtener el grafico mostrado en la figura 4.1
(Característica de salida para diferentes valores de capacitancia)
Potencia de
salida(W)
609
1.036
1.561
2.122
2.553
3.219
3.762
4.393
5.291
5.567
5.940
Vac1 (90uF) Vac2 (105uF) Vac3 (144uF)
210
214
222
208
212
216
204
207
212
200
203
209
196
198
206
192
195
203
185
188
198
178
183
191
170
173
179
155
168
171
149
155
165
Tabla A.2 Se presentan los datos obtenidos con el Analizador para graficar el
comportamiento del voltaje en terminales ante el aumento en la carga. (Característica
de salida final del convertidor).
RMS VoltageVAB (V) RMS VoltageVBC (V) RMS VoltageVCA (V) Real Power3Ø (W)
204
204
204
204
204
204
204
226
226
226
227
227
226
226
221
221
222
222
221
220
220
599
536
475
609
672
659
592
75
Continuación tabla A.2
RMS VoltageVAB (V) RMS VoltageVBC (V) RMS VoltageVCA (V) Real Power3Ø (W)
204
226
222
505
204
228
222
531
204
226
221
578
204
226
221
558
204
227
220
682
204
227
220
738
204
227
219
821
204
226
219
760
204
226
220
625
204
228
218
899
204
226
216
994
204
228
220
780
204
227
218
955
204
226
217
966
204
227
216
1.036
204
227
215
1.160
204
227
214
1.381
204
226
213
1.373
203
226
212
1.561
203
225
212
1.655
204
225
211
1.663
203
224
210
1.911
203
223
209
2.122
203
221
208
2.458
203
221
207
2.439
203
221
206
2.553
203
221
205
2.634
203
220
204
2.814
203
217
203
3.219
203
217
200
3.514
203
217
199
3.73
202
216
198
3.762
202
214
195
4.045
202
213
194
4.077
202
210
191
4.393
202
212
187
4.340
202
211
184
4.737
202
209
183
4.663
202
207
180
5.255
201
206
179
5.291
202
208
175
5.347
201
204
174
5.230
76
Continuación tabla A.2
RMS VoltageVAB (V) RMS VoltageVBC (V) RMS VoltageVCA (V) Real Power3Ø (W)
201
204
172
5.483
201
204
171
5.507
201
204
170
5.567
201
202
169
5.611
201
205
168
5.607
201
205
165
5.596
201
202
166
5.668
201
199
165
5.940
201
200
166
5.966
201
201
164
5.934
201
200
164
5.928
Tabla A.3 Datos utilizados para obtener el grafico mostrado en la figura 4.3
Potencia de Salida(W) Fp de la carga
380
0,15
566
0,23
760
0,31
899
0,36
1224
0,47
1672
0,59
2106
0,69
2553
0,75
2814
0,79
4005
0,86
5230
0,88
5696
0,88
Estos datos representan una muestra del total de datos tomados con el analizador trifásico.
77
Tabla A.4 Datos utilizados para obtener el grafico mostrado en la figura 4.4
(Eficiencia del convertidor)
# Muestra Potencia Salida (W) FP de la carga Potencia Entrada(W) Eficiencia FP a la entrada # Muestra del analizador
0.23
1
500
580
86
0,87
1y2
0.22
2
489
640
76
0,89
4y5
0.29
3
639
830
76
0,94
7y8
0.43
4
969
1070
90
0,96
10 y 11
0.48
5
1121
1330
84
0,97
13 y 14
0.61
6
1523
1650
92
0,98
16 y 17
0.67
7
1819
1930
94
0,98
18 y 19
0.77
8
2423
2630
92
0,98
22 y 23
0.83
9
3094
3260
94
0,98
24 y 25
0.85
10
3654
3810
95
0,98
28 y 29
0.88
11
4120
4290
96
0,97
31 y 32
0.88
12
4874
5070
96
0,96
34 y 35
0.89
13
5325
5500
96
0,95
37 y 38