CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
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Introducción a los Sistemas
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CAPÍTULO 1: Introducción a los Sistemas
1.1 Introducción a los sistemas eléctricos
1.1.1 Definiciones
a. Diferencia de Potencial (V)
Es la medida de la capacidad de una fuente para desplazar cargas eléctricas a través de un circuito.
Su unidad de medida es el volts y es debido a ello que en la jerga eléctrica simplemente se le llama
voltaje.
b. Corriente (I)
Es la medida de la intensidad del flujo de cargas eléctricas que pasan por una sección transversal
en un determinado tiempo. Su unidad de medida es el Ampere.
c. Potencia (P)
Es la rapidez con que se transfiere la energía. En el caso de la electricidad, representa la rapidez
con que se entrega o consume la energía eléctrica. Su unidad de medida es el Watt y se obtiene,
básicamente, a partir de la multiplicación entre el Voltaje y la Corriente.
P = V×I
d. Energía (E)
Cuantifica la capacidad de un cuerpo para producir trabajo. En el caso de la electricidad, Cuantifica
el trabajo producido por un flujo de electrones circulando en una diferencia de potencial en un
determinado tiempo. La unidad de medida es el kilo watt hora.
E = P×t = V×I×t
e. Sistema Trifásico de Corriente Alterna.
Sistema de transmisión eléctrica de corriente alterna que se compone de tres hilos con igual
magnitud de voltaje pero con un desfase de 120º entre ellas.
Además, puede poseer un Neutro si el sistema es una Estrella o sólo las tres fases si el sistema es
Delta.
B
+
~
C
+
~
~
~
-
N
-
~
+
A
-
C
+
~
-
-
+
+
-
B
Fig. 1: Conexión de fuentes trifásicas
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A
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f. Voltajes de Línea (VL)
Mide la diferencia de potencial entre dos fases cualesquiera del sistema trifásico. La unidad de
medida es el Volts.
g. Voltajes de Fase (VF)
Mide la diferencia de potencial entre una fase, cualesquiera, del sistema y el neutro. Su unidad de
medida es el Volts.
h. Corriente de Línea (IL)
Es la medida de la intensidad del flujo de cargas eléctricas que pasan por una sección transversal
en un determinado tiempo desde una fase hasta otra fase del sistema. Su unidad de medida es el
Ampere.
i. Corriente de Fase (IF)
Es la medida de la intensidad del flujo de cargas eléctricas que pasan por una sección transversal
en un determinado tiempo por una fase del sistema. Su unidad de medida es el Ampere.
Clasificación de las Potencias
Las siguientes definiciones son válidas sólo para sistemas de corriente alterno tanto monofásico
como trifásico. En el caso de sistemas de corriente continua, son válidas las fórmulas expuestas
anteriormente.
k. Potencia Aparente (S)
Indica la rapidez con que se transfiere la energía, sin importar cuanto de ella se transformará en
trabajo, en otra forma de energía, o se almacenará. Su unidad de medida es el Volt-Ampere (VA).
Caso Monofásico
: S1φ = VF × I F
[VA]
Caso Trifásico (equilibrado) : S 3φ = 3 × VL × I F
[VA]
l. Potencia Activa (P)
Indica la rapidez con que se transfiere la energía que realmente se convertirá en trabajo o será
transformada en otra forma de energía (calor o luz). Su unidad de medida es el Watt (W).
Caso Monofásico
: P1φ = VF × I F × cos φ
[W]
Caso Trifásico (equilibrado) : P3φ = 3 × V L × I F × cos φ [W]
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m. Potencia Reactiva (Q)
Indica la rapidez con que se transfiere la energía que servirá sólo para ser almacenada en elementos
pasivos como Bobinas y Condensadores. Su unidad de medida es el Volt Ampere Reactivo (VAr).
Caso Monofásico
: Q1φ = V F × I F × senφ
[VAr]
Caso Trifásico (equilibrado) : Q3φ = 3 × VL × I F × senφ [VAr]
n. Factor de Potencia (F.P.)
Es una proporción entre la potencia total requerida por el sistema (potencia aparente) y la que
realmente se transforma en trabajo u otra forma de energía.
F .P. =
S
P
También puede visualizarse como una medida de proporción trigonométrica al determinar el
coseno del ángulo de desfase entre la señal de corriente y la señal de voltaje. El ángulo que mide este
desfase es conocido como Fi (φ ).
F .P. = cos φ
Debido a que es un factor, no posee unidad de dimensión. Es decir, es una medida adimensional.
Fig. 2: Señales de voltaje y corriente
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1.1.2 Estímulo y Respuesta.
Este concepto se deriva del principio de la causalidad, es decir, todo efecto (respuesta) tiene una
causa (estímulo). Aquí no deben existir conceptos filosóficos. La electricidad satisface el principio de la
causalidad por fenómenos físicos bien estudiados y no por acciones humanas ni extrahumanas.
Antes de enfrentar un problema de carácter eléctrico se debe identificar el estímulo para poder
predecir la respuesta. Es esto lo que hace en realidad un buen eléctrico, es capaz de predecir una respuesta
del circuito antes de efectuar la medición. Y es más, sin ni siquiera haber montado el circuito, puede
predecir si habrá problemas o no.
En la práctica los circuitos se estimulan con Voltaje. En consecuencia, la respuesta que nos
interesa siempre será la Corriente.
Por ejemplo, si conecto una bomba a un motor eléctrico, estaré sometiendo la máquina a una
diferencia de potencial (voltaje). Este es el estímulo. Por otro lado, la respuesta que nos interesa, como
eléctricos, es la corriente que circulará por nuestra red para así dimensionar los conductores, los ductos y,
las protecciones.
Quizás alguien diga que la respuesta es la presión del fluido impulsado por la bomba. Para quien
no sea electricista será una observación válida, pero, para un técnico en electricidad, cae en la categoría de
respuesta secundaria, que debe también considerarse, pero que no nos sirve de mucho para el trabajo que
hay detrás, salvo para detectar que existe un problema en la red, en el artefacto o en la fuente del fluido.
Entonces, el esquema de este ejemplo puede verse en la figura 1.
Fig. 3: Resumen de un sistema eléctrico-hidráulico
El estímulo es aquel factor que si elimino no existirá respuesta de ninguna clase. En la figura 1, si
elimino la fuente de voltaje, en el circuito no habrá ninguna clase de respuesta; ni corriente, ni movimiento
del eje del motor, ni desplazamiento de fluido. Por lo tanto, el voltaje que suministra la fuente es el
estímulo.
La idea de hacer propio este concepto tiene dos aristas: El análisis y la solución a problemas de
carácter práctico.
En la práctica, cuando nos vemos enfrentados a problemas, es vital la identificación del estímulo y
la respuesta. Si logramos hacerlo, podemos efectuar revisiones certeras para conocer lo que ocurre sin
pérdida de tiempo. Así, es posible iniciar revisiones a partir del estímulo hasta la última respuesta.
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El principio de causalidad es extrapolable a otros sistemas, como, por ejemplo, mecánicos,
hidráulicos, electrónicos, etc.
A modo de ejemplo, en el caso Hidráulico, el estímulo principal es la presión, dado que, si no
existe presión, no se observará ninguna respuesta. No existirá caudal, y en consecuencia no habrá
desplazamiento de cilindros ni movimiento en los motores hidráulicos.
Si asociamos ambos sistemas (eléctrico e hidráulico), la variable principal o estímulo, será, desde
cualquier punto de vista, la Potencia Eléctrica. Si suprimimos la potencia eléctrica, la consecuencia será la
interrupción de la potencia mecánica en el eje del motor y, en consecuencia, la anulación de la capacidad
de levantar presión del sistema hidráulico.
¿Cuál es la mejor estrategia? Primero, al no estar presente alguna respuesta podemos intuir que
algo pasa. Lo más aconsejable es revisar primero el estímulo del sistema.
Por otro lado, es importante mencionar que las redes eléctricas que tienen una característica lineal
cumplen con que el estímulo y la respuesta tienen la misma forma. Por ejemplo, si alimento una red lineal
con Voltaje alterno, la respuesta será Corriente Alterna. Si alimento la red lineal, ahora con Voltaje
continuo, la respuesta será Corriente continua. Esta característica de las redes eléctricas es sumamente
importante.
1.1.3 Valores Eficaces y Valores Máximos de una señal Sinusoidal.
Las señales alternas oscilan entre valores máximos positivos y negativos. Este hecho establece que
el valor máximo de una señal de corriente o voltaje alterno es la altura máxima de la cresta de la onda, tal
como aparece en la figura 4.
Fig. 4: señal alterna
Los instrumentos que miden estas señales son los Osciloscopios, dado que, tal como vemos en la
figura, varía de un máximo a otro muy rápidamente. Este valor máximo corresponde a la Amplitud de la
señal sinusoidal.
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Para efectos prácticos no tiene sentido medir los valores instantáneos de la señal sinusoidal, dado
que, cambiaría de valor demasiado rápido. Por otro lado, si midiéramos exclusivamente los valores
máximos estos alternarían una y otra vez. Para evitar esa dificultad se estableció un tipo de medida que
conocemos como Valor Eficaz.
El Valor Eficaz o RMS es el equivalente energético de una señal continua en un mismo periodo.
Es decir, la cantidad de energía que porta la señal sinusoidal es igual a la cantidad de energía que
porta una señal continua, en un mismo periodo de tiempo. Entonces, la relación entre valor máximo y
valor eficaz viene dada por
Vmáximo = 2 ⋅ Veficaz
I máximo = 2 ⋅ I eficaz
Por otro lado, entonces, el valor eficaz viene dado por
Veficaz =
I eficaz =
Vmax imo
2
I max imo
2
Lo que si tiene un sentido práctico, y es así como los instrumentos que conocemos para señales
alternas miden en realidad valores eficaces que no es otra cosa que un equivalente energético a una señal
Continua.
Por ejemplo. Si con un Téster (instrumento para medir parámetros eléctricos) medimos el voltaje
alterno del enchufe de nuestro hogar, este arrojará una lectura de 220 [V]. Esta lectura corresponde al
valor eficaz de la señal de voltaje alterno y, por lo tanto, el valor máximo de la señal viene dado por
Vmáximo = 2 ⋅ Veficaz
Vmáximo = 2 ⋅ 220
Vmáximo ≈ 311 [V]
1.1.4 Señales de control.
Como se estudió anteriormente, las señales de transmisión de potencia eléctrica obedecen a formas
sinusoidales de gran amplitud tanto en voltaje como en corriente.
En el caso del control, existen dos tipos de señales para que un artefacto de control (PLC, Relé,
Tarjeta electrónica, etc.) pueda enviar o recibir información desde o hacia un dispositivo (RTD,
Transductor, flujo metro, solenoide, etc.). Estas son conocidas como señales Análogas (proporcionales) o
Discretas.
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Independiente de la recepción o envío de la señal, es indispensable comprender que representan
estos tipos de señales.
1.1.4.1 Señal Análoga o proporcional.
La señal análoga o proporcional representa una variación continua en su magnitud. El estándar del
control obedece a dos señales:
-
Señal análoga o proporcional de Voltaje
Señal análoga o proporcional de Corriente
: 0 a 10 V.
: 4 a 20 mA
El incremento y descenso de la señal va ligada fuertemente a una rampa de desplazamiento que
establece la relación entre el parámetro real y la señal proporcional.
Por ejemplo: Su pongamos que poseo un estanque tipo cilindro recto y deseo conocer la cantidad
de líquido que él almacena. Se ha decidido instalar un sensor que transmite una señal proporcional en
corriente de 4-20mA
Controlador
SENSOR
MAX.
MIN.
Fig. 5: Estanque con sensor proporcional para control de llenado.
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El volumen de este estanque viene dado por:
V = π ⋅r2 ⋅h
Donde,
h : altura
r : radio
π : 3,1415
Entonces, el volumen del estanque es de:
V = 3,1415 ⋅ 3 2 ⋅ 9 = 254,5 [m3]
Pero, en el caso del líquido al interior del estanque, su volumen variará con la altura del nivel. Es
esta última variable la que se medirá con el sensor proporcional instalado.
El volumen máximo de líquido admitido en el estanque, vendrá dado por:
V = 3,1415 ⋅ 3 2 ⋅ 8,5 = 240,3 [m3]
Y el volumen mínimo que se permite es de:
V = 3,1415 ⋅ 3 2 ⋅ 0,85 = 24,03 [m3]
La pregunta es ¿Cómo se relaciona una señal eléctrica con una medida física? La siguiente rampa
dará la respuesta.
En el caso de un control proporcional por corriente, el sensor instalado en el estanque arrojará una
señal proporcional de 4 a 20 mA, donde, fijaremos el mínimo (0,85 metros) en 4 mA del sensor. En
consecuencia, el límite máximo de líquido en el estanque está fijado en 8,5 metros, lo que para el sensor
representará 20 mA.
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Altura del nivel de líquido.
[metros]
[mA]
Sensor Proporcional 4-20 mA
Fig. 6: Relación entre la señal de corriente y la altura del líquido en el estanque.
Así, el Controlador del sistema sabrá a que altura se encuentra el líquido en el estanque. Pero, para
indicar el Volumen de líquido, a partir de la señal enviada por el sensor, deberá construirse una relación.
La fórmula a utilizar es la del Volumen, ya vista anteriormente, pero, con la salvedad que, en este
caso, la altura vendrá siempre dada por:
h = ( p ⋅ I mA ) − c [metros]
Donde:
h
p
c
ImA
: altura del nivel de líquido
: Pendiente de la rampa.
: Corrimiento de la señal
: Señal proporcional de corriente enviada por el Sensor.
Esta fórmula, algo más engorrosa, nace a causa de la no linealidad entre la corriente del sensor y la
altura mínima del estanque. ¿Por qué?.
Existen dos razones para este hecho:
1. La señal proporcional de corriente no se inicia desde cero.
2. El estanque no puede estar completamente vacío ni lleno hasta el tope.
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Es por ello que se deben calcular los parámetros p y c. Sin embargo, no es algo difícil de ejecutar.
p=
(hmax . − hmin )
16
c = (4 ⋅ p ) − hmin
Entonces,
p=
(8,5 − 0,85) = 7,65 = 0,478
16
16
c = (4 ⋅ 0,478) − 0,85 = 1,912 − 0,85 = 1,062
Por lo tanto, en nuestro caso,
h = (0,478 ⋅ I mA ) − 1,062
De esta forma, sabemos que en general el Volumen de líquido en el estanque viene dado por:
V = π ⋅ r2 ⋅ h
Reemplazando h, de acuerdo a la relación construida, obtenemos que
V = π ⋅ r 2 ⋅ ((0,478 ⋅ I mA ) − 1,062 )
Ahora, con un poco de esfuerzo, podemos reemplazar los valores y calcular la relación.
V = 3,1415 ⋅ 3 2 ⋅ ((0,478 ⋅ I mA ) − 1,062 )
V = 28,274 ⋅ ((0,478 ⋅ I mA ) − 1,062)
V = (28,274 ⋅ 0,478 ⋅ I mA ) − (28,274 ⋅ 1,062)
V = (13,515 ⋅ I mA ) − 30,027 [m3]
Y obtenemos la relación directa entre señal proporcional de corriente y el Volumen de líquido en el
estanque. Es esta última relación la que se ingresa al controlador del sistema para que muestre en pantalla
el valor del Volumen.
En el caso de un control por Voltaje, el procedimiento es el mismo, con la diferencia que la señal
proporcional de voltaje sí parte desde cero. Recuerde que en este caso la señal va de 0 a 10 Volts.
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Nota: Para evitar confusiones entre la V de Volumen y la V de voltaje de la señal, tomaremos el
siguiente acuerdo:
V
VS
: Volumen
: Voltaje de Señal.
Para el mismo ejemplo, el procedimiento es:
h = ( p ⋅ VS ) + c [m3]
p=
(hmax . − hmin )
10
=
7,65
= 0,765
10
c = hmin = 0,85
h = (0,765 ⋅ VS ) + 0,85
V = π ⋅ r2 ⋅ h
V = π ⋅ r 2 ⋅ ((0,765 ⋅ VS ) + 0,85)
V = 28,274 ⋅ ((0,765 ⋅ VS ) + 0,85)
V = (28,274 ⋅ 0,765 ⋅ VS ) + (28,274 ⋅ 0,85)
V = (21,629 ⋅ VS ) + 24,033 [m3]
De esta forma, visto ambos casos de señales proporcionales, podemos concluir que:
Una señal análoga o proporcional es aquella que varía en magnitud, de manera continua y, es
asociada mediante rampas a magnitudes físicas.
1.1.4.2 Señales Discretas
Este tipo de señal es conocida también como ON/OFF o Todo o Nada. A diferencia de la señal
proporcional, una señal discreta no permite determinar la evolución de un proceso.
Por ejemplo: Cuando se enciende la ampolleta de una habitación, estoy enviando una señal
discreta, dado que, antes de presionar el interruptor la ampolleta percibía una señal de voltaje igual a cero.
Una vez pulsado el interruptor, la ampolleta percibe la señal completa de voltaje y enciende a toda su
capacidad.
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En contraste, podemos visualizar la diferencia entre una señal proporcional y una discreta usando
el mismo ejemplo de la ampolleta, pero, con dos tipos diferentes de comando:
- Señal Discreta
:Interruptor 9/12 → La ampolleta enciende a toda su capacidad y, al
conmutar, se apaga por completo.
- Señal proporcional :Dimer → La ampolleta enciende paulatinamente hasta alcanzar su máxima
luminosidad. Incluso, es posible dejarla a media potencia o en cualquier
grado de luminosidad.
Así, las señales discretas se asocian comúnmente a salidas de relé, Interruptores automáticos,
Contactores y switch’s.
Ejemplo: La siguiente gráfica muestra la acción de una señal discreta en contraste con una
proporcional.
Fig. 7: Señal discreta en comparación con una señal proporcional.
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1.1.5 Sistemas Eléctricos de Potencia
a. Dispositivos de Maniobra y Protección
En la operación de la red eléctrica aparece la necesidad de ejecutar maniobras, conectar y
desconectar cargas. Esta acción se realiza mediante aperturas de contactos, donde se observa la presencia
de arco eléctrico.
Genéricamente se utiliza el nombre de Llave para todo dispositivo que efectúe una conmutación,
independiente de su función.
b. Interruptores
La característica mas saliente del interruptor, también llamado disyuntor, es poder actuar
estableciendo o interrumpiendo el suministro de energía en condiciones de carga y sólo hasta la que
corresponde a su poder de interrupción (corriente de cortocircuito).
Lógicamente después de efectuar algunas veces esta operación el desgaste de los contactos puede
ser muy elevado y las prestaciones del aparato quedan disminuidas.
Cuando se presenta un cortocircuito la elevada corriente debe ser interrumpida en un breve tiempo,
tanto para proteger el interruptor mismo, como para el resto de los elementos de la red.
Fig. 8: Interruptores magnéticos
El interruptor esta asociado a relés que censan la corriente, y, según sea su valor, comandan la
actuación. Un relé térmico, (basado en un bimetal por ejemplo) produce el disparo en un tiempo
inversamente proporcional al valor de la corriente.
Un relé magnético (basado en una bobina por ejemplo) produce un disparo prácticamente
instantáneo. En este caso la duración de la falla será mínima, sumándose al tiempo del relé la breve
duración del arco (del orden de un semiciclo o menos para un interruptor de buena manufactura).
Cuando los interruptores logran actuar e interrumpir en tiempos menores a un semiciclo, se los
llama limitadores, mas adelante volveremos sobre este tema.
La energía necesaria para que el interruptor abra debe encontrarse acumulada, de manera que, el
relé, la libere cuando corresponda. En algunos modelos de interruptores se aprovecha también la fuerza
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electromagnética de repulsión para lograr la mejor interrupción. La energía esta acumulada generalmente
en un resorte que, al momento del cierre, se carga.
La característica de actuación del aparato (curva que relaciona corriente y tiempo), se utiliza para
controlar que la protección ofrecida (eventualmente ajustados a determinados valores) es la que
corresponde a los elementos de la red que se desean proteger.
c. Cortocircuito y Sobrecarga
Los cortocircuitos están ligados a defectos de fallas de aislación entre conductores que se
encuentran a distinto potencial. Al cerrarse el circuito sobre una impedancia de valor pequeño las
corrientes resultan muy elevadas. Los daños que produce un cortocircuito pueden ser evitados con una
rápida desconexión del circuito y, un adecuado dimensionamiento de los componentes, en el supuesto que
durante la vida de la instalación se presentarán cortocircuitos.
Los componentes y la red deben ser capaces de soportar las condiciones de cortocircuito por el
tiempo que corresponde a la actuación de las protecciones. Es evidente que una mayor rapidez de las
protecciones permite un dimensionamiento menos costoso.
La sobrecarga, en cambio, se presenta cuando existe una demanda más allá de lo previsto. Si una
sobrecarga se prolonga mucho tiempo se presentan sobre temperaturas que envejecen prematuramente la
aislación de los conductores y equipos. La división entre sobrecarga y cortocircuito no es tácita, siendo a
veces difícil de establecer. Sin embargo, para los fines de la protección eficiente, no es de mayor
importancia definir este hecho.
d. Fusibles
El calor que se produce en un conductor, por el que circula corriente, se aprovecha en este aparato
para proteger instalaciones. El calor acumulado funde al conductor y se genera un arco eléctrico que
finalmente interrumpe la corriente.
Cuanto mayor es el valor de la corriente menos tiempo tarda el fusible en alcanzar la condición de
fusión (tiempo de pre-arco), con una corriente determinada lo alcanza en un semiciclo, y por arriba de ese
valor el fusible funde en tiempos que son menores a un semiciclo.
Con corrientes muy grandes el fusible funde en pocos milisegundos, y, si la tensión de arco que se
presenta es elevada, la corriente de arco resulta muy limitada no alcanzando el valor máximo que se
hubiera presentado si el fusible no estuviera instalado.
Esta característica de los fusibles se llama de limitación. Los aparatos limitadores son aquellos que
impiden que se alcancen los valores máximos de la corriente de cortocircuito, y, en consecuencia, el resto
del circuito puede ser de dimensiones menores respecto de lo que seria necesario si no existiera la
capacidad de limitación.
En resumen las características limitadoras permiten un dimensionamiento más económico de la
instalación.
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CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
Fig. 9: Distintos tipos de Fusibles.
El tiempo de actuación del fusible se representa en un gráfico que relaciona el valor de la corriente
y el tiempo. Se representa el tiempo medio de interrupción, a veces se representa el tiempo mínimo de prearco y el tiempo máximo de interrupción.
Estas curvas experimentales requieren realización de gran cantidad de ensayos e investigación, y
no es fácil obtenerlas para los aparatos más económicos.
Hemos descrito el fusible como un alambre que se funde y donde se presenta un arco. Para que
este se interrumpa adecuadamente es necesario un ambiente especial. En los fusibles de mayor poder de
interrupción la fusión se produce en arena de cuarzo, que contiene y enfría el arco.
e. Interruptores de Maniobra
Son interruptores con limitado poder de interrupción, llamados también seccionadores con poder
de apertura. Tienen capacidad de maniobra, pero, requieren que se los proteja de cortocircuitos.
A veces, estos aparatos poseen un relé térmico por lo que es fácil confundirlos con interruptores.
Para un funcionamiento seguro en todas las condiciones, requieren al menos estar protegidos por un
fusible que, en teoría, debería estar del lado de la fuente.
g. Seccionadores
Existen llaves cuya función es aislar una parte de la instalación de otra, con el fin de poder acceder
a ella en condiciones de seguridad. Estos aparatos reciben el nombre de seccionadores.
Se operan cuando por ellos no circula corriente, están sin carga o la corriente es despreciable. En
baja tensión, en general, no se instalan seccionadores con esta función exclusiva. En muchos casos los
aparatos en si son seccionables y su extracción garantiza las condiciones de seguridad.
h. Contactores
El contactor es un aparato proyectado para hacer un número enorme de maniobras (cientos de
miles o millones), y posee características especialmente diseñadas para maniobrar cargas inductivas de
gran potencia. Su poder de interrupción en carga es comparativamente menor que el del interruptor.
Este aparato tiene una única posición estable (de equilibrio). El movimiento de los contactos se
produce por acción de una bobina que permanece excitada para mantenerlo cerrado. Cuando la bobina se
desenergiza los contactos vuelven a la posición de reposo.
CAP 1 / 16
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El contactor se asocia, regularmente, a un relé térmico que conmuta un contacto que interrumpe la
energía hacia la bobina desconectando la carga cuando se presenta una situación de sobrecarga.
Fig. 10: Distintos tipos de Contactores.
Para evitar daños producto de un cortocircuito, cuya corriente evidentemente superará la
prestación del contactor, se instalan fusibles para operar bajo dichas condiciones, antes de que se
presenten daños.
1.1.6 Motores de Inducción tipo jaula de ardilla.
Este tipo de motores pertenece a la categoría de las máquinas asincrónicas, es decir, la velocidad
del rotor será siempre inferior a la velocidad del campo magnético que gira en el estator.
En un motor tipo jaula de ardilla, se induce un cierto voltaje en el rotor, permitiendo con esto que
circule una corriente eléctrica en él. Dado que existe corriente, necesariamente aparecerá un campo
magnético.
Por su parte, el estator sometido a un voltaje, crea un campo magnético a su alrededor de gran
intensidad, que gira a una velocidad proporcional a la frecuencia de la red, dividido por el número de
polos de la máquina. La velocidad de este campo magnético se conoce como velocidad sincrónica.
De esta forma, el rotor sigue al campo magnético del estator en una carrera sin fin. El rotor jamás
podrá alcanzar la velocidad del campo magnético del estator, y es por esta razón que recibe el nombre de
máquina asincrónica (corre a una velocidad siempre inferior a la velocidad sincrónica).
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Fig. 11: Motor de inducción tipo Jaula de Ardilla.
Un motor de inducción posee un Torque de partida bastante alto que puede llegar hasta 2,5 veces
su valor nominal. En consecuencia, la corriente demandada en ese instante también es enorme. Puede ir de
5 a 7 veces el valor nominal, con un alto contenido reactivo, lo que normalmente causa descensos de
voltaje en el nudo desde donde se alimenta el motor.
La potencia que aparece en la placa del motor eléctrico representa la potencia en el eje de la
máquina. Mecánicamente podemos definir que la potencia en el eje del motor es el producto entre el
Torque (τ ) y la velocidad (ωeje).
Peje = τ ⋅ ω eje
Un motor eléctrico se considera como un artefacto de potencia constante, al menos en un cierto
rango, lo que significa que ante un descenso del Torque, necesariamente la velocidad del eje deberá
aumentar para mantener la potencia. De la misma forma, si el eje pierde velocidad, el Torque aumentará.
Por otra parte, un motor es sumamente sensible a las variaciones de Voltaje de una red, debido a
que el Torque en el eje, varía en una proporción correspondiente al cuadrado de la Tensión aplicada. Así,
un descenso del 5% en el voltaje, fácilmente se convierte en una pérdida considerable de velocidad en el
eje y de Torque. Para contrarrestar el efecto, la máquina aumenta su demanda de corriente.
Este hecho, sin embargo, produce un aumento de las pérdidas aumentando a su vez el calor
generado al interior de la máquina.
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Fig. 12:
Para efectos del conexionado del motor jaula de ardilla, existen dos formas de energizar su estator:
(a)
(b)
Fig. 13: (a) Conexión Estrella. (b) Conexión Delta o Triángulo.
Generalmente, pero no siempre, los motores pequeños traen la conexión hecha internamente,
teniendo acceso sólo a los terminales de conexión finales.
Existen motores donde las puntas o extremos de las bobinas salen a una caja de conexión,
pudiendo entonces, efectuar la conmutación Estrella-Delta.
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1.2 Introducción a los Sistemas de Instrumentación y Control
1.2.1 Sistema Instrumentación y Control:
a. Instrumentación:
Conjunto de instrumentos o sus aplicaciones diseñados con el fin de observar mediciones, control,
o cualquier combinación de estos.
Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos.
Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: La industria minera, la fabricación
de los productos derivados del petróleo, los productos alimenticios, la industria cerámica, las centrales
generadoras de energía, la siderurgia, los tratamientos térmicos, la industria papelera, la industria textil,
etc.
En todos estos procesos es absolutamente necesario mantener y controlar constantes algunas
magnitudes tales como, presión caudal, temperatura, nivel, posición, etc. Los instrumentos de medición y
control permiten el mantenimiento y regulación de estas constantes en condiciones mas idóneas que las
que el propio operador podría realizar.
En los inicios de la era industrial el operario llevaba a cabo un control manual de las variables
utilizando manómetros, termómetros y válvulas manuales, control que era suficiente por la relativa
simplicidad de los procesos.
La gradual complejidad en que los procesos se han ido desarrollando ha exigido su automatización
progresiva por medio de los instrumentos de medición y control.
Estos instrumentos han ido liberando al operario de su función de actuación física en la planta y ha
permitido la labor única de supervisión y de vigilancia del proceso desde centros de control situadas en el
propio proceso o en salas aisladas separadas.
Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías: Procesos
continuos y procesos discontinuos. En ambos tipos, deben mantenerse en general las variables (presión,
temperatura, caudal, nivel, etc.), bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de
acuerdo con una relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable.
El sistema de control que permite este mantenimiento de las variables puede definirse como aquel
que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de
corrección de acuerdo con la desviación existente sin que el operario intervenga en absoluto.
El sistema de control exige, para esta comparación y subsiguiente corrección sean posibles, que se
incluya una unidad de medida, una unidad de control, un elemento final de control y el propio proceso.
Este conjunto de unidades forma un lazo que recibe el nombre de lazo de control. El lazo puede ser abierto
o cerrado.
Un ejemplo de lazo abierto es el calentamiento de agua en un estanque mediante una resistencia
eléctrica sumergida.
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CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
Fig. 14: Esquema Laso Abierto
El lazo cerrado representativo lo constituye la regulación de temperatura en un intercambiador de
calor.
Fig. 15: Esquema Laso Cerrado
En ambos casos se observa que existen elementos definidos como elementos de medida, el
transmisor, el controlador, el indicador, el registrador y el elemento final.
Los instrumentos de medición y de control son relativamente complejos y su función puede
comprenderse bien si están incluidos dentro de una clasificación adecuada. Como es lógico, pueden existir
varias formas para clasificar los instrumentos, cada una de ellas con sus ventajas y limitaciones. Se
consideran dos clasificaciones básicas: la primera relacionada con la función del instrumento y la segunda
con la variable del proceso. De acuerdo con la función del instrumento, obtenemos las formas siguientes:
CAP 1 / 21
CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
a. Instrumento Ciego
Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable., instrumentos de alarma tales como,
presostatos y termostatos, (interruptores de presión y temperatura respectivamente), transmisores de
caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación, ya que sólo poseen el ajuste al punto de disparo del
interruptor o conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado.
Fig. 16: Instrumentos Ciegos
b. Instrumentos Indicadores
Disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable.
Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos.
Fig. 17: Instrumentos Indicadores
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CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
1.2.2 Definiciones
a. Transmisores
Captan la variable de proceso a través de elemento primario y la transmiten a distancia en forma de
señal neumática o electrónica.
b. Elemento Primario
Están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al
sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada.
c. Convertidor
Son aparatos que reciben una señal de entrada neumática o electrónica procedente de un
instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar.
d. Receptor
Reciben las señales de los transmisores y las indican o registran.
e. Controlador
Comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura), con un valor deseado y ejercen una
acción correctiva de acuerdo con la derivación.
f. Elemento final de control
Dispositivo que controla directamente los valores de la variable manipulada en un lazo de control.
Generalmente el elemento final de control es una válvula de control.
g. Transductor
Dispositivo que recibe información en forma física y produce una señal de salida resultante
proporcional.
h. Válvula de control
Es un dispositivo, el más comúnmente usado, que actúa manualmente o por sí mismo, y que
directamente manipula el flujo de uno o más procesos.
i. Controlador lógico programable
Un controlador, equipo electrónico el cual posee entradas y salidas múltiples y que contiene un
programa alterable, por medio del cual puede monitorear y controlar un proceso determinado. Es también
conocido PLC.
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CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
Fig. 18: Fotografía de PLC
j. Tablero de Fuerza (TF)
Puede estar compuesto básicamente por un partidor directo o estrella-delta, el cual es comandado
por una partida remota ubicada en el panel de mando y su función es dar la partida al motor eléctrico.
k. Tablero de Control (TC)
En éste tablero se encuentran todos los componentes de control necesarios y tiene por función
monitorear las distintas señales provenientes desde los censores e instrumentos instalados en el equipo y
señales que provienen desde el panel de mando, para el correcto uso de la equipo.
Fig. 19: Tablero de Control
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CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
l. Panel de mando o control
Tablero eléctrico que está conectado por medio de un cable multipar al tablero de control de la
grúa, en el cual están instalados los Joysticks de los movimientos, partida y parada del motor de la bomba
hidráulica, parada de emergencia y selección de gancho principal o gancho secundario.
Fig. 20: Panel de Mando
m. Joystick de control:
Dispositivo que permite controlar los todas las funciones de movimiento de la grúa, por medio de
la variación la señal de voltaje de entrada o de referencia en la tarjeta electrónica y con esto es posible
controlar la potencia de las bobinas conectadas a este control.
Fig. 21: Joysticks de control
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CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
n. Tarjeta Amplificadora Proporcional
Dispositivo electrónico que es capaz de censar una señal de control, ya sea de voltaje o corriente,
amplificarla y efectuar variaciones de la señal de salida en forma proporcional a la de entrada.
Normalmente es usado para la señal de control un potenciómetro.
Fig. 22: Tarjeta electrónica
ñ. Radio Control
Dispositivo electrónico, el cual es capaz de transmitir a una determinada frecuencia señales de
control a un receptor, a través de ondas de radio.
Fig. 23: Radio control
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CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
o. Radio Receptor
Dispositivo electrónico, el cual es capaz de recibir a una determinada frecuencia las señales
enviadas por el radio control y transformarlas en señales eléctricas para el control de un equipo.
Fig. 24: Radio Receptor
p. Limites de carrera
Su función es detectar el recorrido máximo de la grúa, ya sea en giro máximo derecho o izquierdo,
bascular máximo y mínimo. Están instalados en el exterior de la grúa.
Fig. 25: Límites de Carrera
q. Interruptor de nivel
Dispositivo que actúa al llegar al nivel del estanque al valor mínimo seteado, por medio de una
señal ON-OFF, la cual es monitoreada por un controlador regulación
Fig. 26: Interruptores de Nivel
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CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
r. Transductor de temperatura
Este dispositivo permite censar en tiempo real el estado de la temperatura, información que es
transmitida al controlador, el cual de acuerdo a lo monitoreado entrega una lectura y ejerce un control.
Fig. 27: Transductores de Temperatura
Tabla I:
PT - 100 SENSOR DE TEMPERATURA, TABLA DE
TEMPERATURAS vs. RESISTENCIA (DIN 48760)
ºC
Ohm
ºC
Ohm
-50
80,25
130
149,82
-40
84,21
140
153,57
-30
88,17
150
157,32
-20
92,13
160
161,05
-10
96,07
170
164,76
0
100,00
180
168,47
10
103,90
190
172,16
20
107,79
200
175,84
30
111,67
210
179,51
40
115,54
220
183,17
50
119,40
230
186,82
60
123,24
240
190,46
70
127,07
250
194,08
80
130,89
260
197,70
90
134,70
270
201,30
100
138,50
280
204,88
110
142,28
290
208,46
120
146,06
300
212,03
s. Interruptor de saturación de filtro
Instrumento que es capaz de detectar la diferencia de presión que existe entre la entrada y salida de
un filtro y transformarla en una señal ON-OFF, la cual es registrada por el controlador, el cual da la
alarma correspondiente al operador, para el cambio de él o los filtros del sistema hidráulico.
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CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
Fig. 28: Interruptor de saturación de filtro
t. Interruptor de temperatura o Termostato
Este dispositivo se activa a la temperatura máxima regulada y envía una señal, la cual puede
activar una señal de alarma o intervenir en forma directa en el proceso, activando un sistema de
enfriamiento o un sistema de calefacción.
Fig. 29:
Interruptores de temperatura o Termostato
u. Interruptor de presión o Presostato:
Dispositivo que conecta, desconecta, selecciona, o transfiere uno o más circuitos de acuerdo a la
presión al cual está regulado.
Fig. 30:
Interruptores de presión o Presostato
CAP 1 / 29
CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
v. Resistencia dependiente de la temperatura (RTD)
Resistencia que varía su valor ohmico en forma proporcional a la temperatura que esta expuesto.
Este dispositivo necesita de un controlador par efectuar alguna acción de corrección, es sólo de monitoreo.
Fig. 31:
Resistencia dependiente de la temperatura (RTD)
w. Controlador de temperatura
Equipo electrónico que es capaz de censar la señal de la RTD conectada a él y activarse a los
valores mínimo y máximo prefijados, para efectuar el control de la temperatura. Puede activar o desactivar
el sistema de calefacción o el sistema de enfriamiento del estanque hidráulico, por ejemplo.
Fig. 32: Controlador de temperatura
CAP 1 / 30
CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
Fig. 33: Esquema de conexión Controlador de Temperatura
x. Calefactor de aceite
Resistencia la cual genera calor al aplicarle una corriente eléctrica. Su potencia dependerá de la
cantidad de líquido del estanque y la temperatura a la que se desea calentar dicho líquido.
Fig. 34: Calefactor de Aceite
CAP 1 / 31
CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
1.3 Introducción a los Sistemas Hidráulicos
Aun cuando la primera bomba construida por el hombre fue la jeringa y era utilizada por los
antiguos egipcios para embalsamar, no fue si no hasta siglo XVII que Blaise Pascal, formulo la ley de la
distribución de la presión en un liquido contenido en un recipiente. Esta se conoce hoy en día como ley de
Pascal.
1.3.1 Ley de Pascal
En 1653, Blaise Pascal estableció que en un fluido en reposo ejerce una fuerza perpendicular hacia la
superficie e independiente de la dirección de orientación de la superficie. El principio de Pascal se usa
frecuentemente en dispositivos que multiplican una fuerza aplicada y la transmiten a un punto de
aplicación.
Fig. 35: En el depósito la presión es uniforme en todas direcciones
1.3.2 Ley de palanca hidráulica
Una maquina simple, permite ejercer una fuerza mayor que la de una persona (la palanca, el plano
inclinado, el torno etc.) pero, a expensas de la disminución de la velocidad. A su ves combinando
maquinas simples se obtienen maquinas complejas. Es así como aparecen las maquinas hidráulicas, las
cuales transmiten la energía a través de un fluido que canaliza la fuerza a través de largas distancias.
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CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
A
B
Fig. 36: La presión en los depósitos es diferente, siendo mayor la del deposito B
Fig. 37: Al conectar los depósitos, la mayor presión del deposito B es trasmitida al deposito A
1.3.3 Flujo
Es el desplazamiento de las moléculas de un fluido producto de la diferencia de presión entre dos
puntos, en los sistemas hidráulicos el flujo es inducido por un dispositivo de empuje llamado bomba.
1.3.4 Presión
En un sistema hidráulico, la presión se genera por la resistencia al flujo inducida por los ductos,
válvulas y particularmente por la carga aplicada en el actuador.
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CAPITULO 1: Introducción a los Sistemas
1.3.5 Actuador
Es el componente del sistema hidráulico que transforma la energía hidráulica, en energía mecánica.
(Ejemplo. Motores, Cilindros)
1.3.6 Área
Se define como área, a la superficie efectiva del actuador, sobre la cual la presión hidráulica es
aplicada.
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