MODERNIZACIÓN DE LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS DE LAS ...
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TRABAJO ESPECIAL DE GRADO MODERNIZACIÓN DE LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS DE LAS BOMBAS DE AGUA DE CONDENSACIÓN DE LAS PLANTAS DE REFRIGERACIÓN # 1 y 3 DEL METRO DE CARACAS Presentado ante la Ilustre Universidad Central de Venezuela Por el Br. Chacón F., Samuel E. Para optar al título de Ingeniero Electricista Caracas, 2016
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TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
MODERNIZACIOacuteN DE LAS INSTALACIONES ELEacuteCTRICAS
DE LAS BOMBAS DE AGUA DE CONDENSACIOacuteN DE LAS
PLANTAS DE REFRIGERACIOacuteN 1 y 3 DEL METRO DE
CARACAS
Presentado ante la Ilustre
Universidad Central de Venezuela
Por el Br Chacoacuten F Samuel E
Para optar al tiacutetulo de
Ingeniero Electricista
Caracas 2016
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
MODERNIZACIOacuteN DE LAS INSTALACIONES ELEacuteCTRICAS
DE LAS BOMBAS DE AGUA DE CONDENSACIOacuteN DE LAS
PLANTAS DE REFRIGERACIOacuteN 1 y 3 DEL METRO DE
CARACAS
PROFESOR GUIacuteA Prof Alexander Cepeda
TUTOR INDUSTRIAL Ing Ramoacuten Muntildeoz
Presentado ante la Ilustre
Universidad Central de Venezuela
Por el Br Chacoacuten F Samuel E
Para optar al tiacutetulo de
Ingeniero Electricista
Caracas 2016
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DEDICATORIA
Principalmente a DIOS el Padre y a Jesucristo mi salvador y redentor por ayudarme a
vencer las adversidades darme fortaleza en los momentos maacutes difiacuteciles de mi vida
acompantildearme y aconsejarme durante toda mi existencia
A mi esposa Jennifer por ser mi compantildeera ayuda idoacutenea en cada paso que doy su
amor y paciencia
A mi abuela Petra por los principios y valores que me inculco asiacute como sus
innumerables oraciones para mi eacutexito en los estudios y en la vida
A mis padres que por su apoyo y paciencia que permitieron que lograra esta meta
v
RECONOCIMIENTOS Y AGRADECIMIENTOS
Reconocimiento a la empresa Metro de Caracas por permitirme contribuir en
su desarrollo sostenido A todas aquellas personas que colaboraron dentro de esta
empresa y hago un especial reconocimiento al Ingeniero Augusto Zambrano el
Ingeniero Ramoacuten Muntildeoz quienes laboran dentro del Metro que me apoyaron en la
realizacioacuten de este trabajo
Agradezco a la empresa Corpivensa en especial al Ing Juan Pablo Saacutenchez y
al Ingeniero Eduardo Aacutelvarez por el apoyo prestado en el suministro de manuales
normas cataacutelogos y asesoriacutea necesaria para la realizacioacuten de este proyecto
Al Ingeniero Daniel Passariello quien me brindo un apoyo al facilitarme un
material bibliograacutefico indispensable para el desarrollo teoacuterico de este trabajo asiacute como
agradezco sus consejos aacutenimo y empuje para que culminara de manera satisfactoria
esta meta
A mi suegra Dolores Pintildea de Nieto por el apoyo incondicional en el preacutestamo
de caacutemaras impresoras computadoras y demaacutes materiales que hicieron posible que
este trabajo estuviera culminado con gran calidad y en el tiempo requerido
A mi hijo Joseacute Enrique Castro por toda la ayuda brindada en los uacuteltimos
instantes para la entrega de este Trabajo de Grado que hicieron faacutecil los uacuteltimos
momentos de estreacutes
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CHACOacuteN F SAMUEL E
MODERNIZACIOacuteN DE LAS INSTALACIONES ELEacuteCTRICAS
DE LAS BOMBAS DE AGUA DE CONDENSACIOacuteN DE LAS
PLANTAS DE REFRIGERACIOacuteN 1 y 3 DEL METRO DE
CARACAS
Prof Tutor Ing Alexander Cepeda Tutor Ing Industrial Ramoacuten Muntildeoz Tesis
Caracas UCV Facultad de Ingenieriacutea Escuela de Ingenieriacutea Eleacutectrica
Ingeniero Electricista Opcioacuten Potencia Metro de Caracas Trabajo de Grado
2016 112 h + anexos
Palabras Claves Tablero de control y potencia Bombas de condensado de agua
componentes eleacutectricos Seleccioacuten de contactores releacutes Arrancador suave
tiempo de arranque de motores
Resumen Se plantea el disentildeo de un tablero de fuerza y control para las bombas de
condensado de agua ubicadas en las Plantas Centrales de Refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro
de Caracas En eacutel se detalla el anaacutelisis por medio de cual se determina cada uno de los
componentes principales breakers contactores releacutes teacutermicos de proteccioacuten
transformadores de control Se selecciona una solucioacuten comercial como arrancador
para los motores eleacutectricos el cual es de tipo electroacutenico y ofrece ventajas notables en
cuanto al ahorro energeacutetico y mantenimiento de equipamiento a largo plazo A su vez
se hacen las sugerencias necesarias para la aplicacioacuten de sus capacidades de
comunicacioacuten para asiacute permitir el accionamiento y automatismo remoto de dichas
bombas
vii
IacuteNDICE GENERAL
Paacuteg
CONSTANCIA DE APROBACIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiii
DEDICATORIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiv
RECONOCIMIENTO Y AGRADECIMIENTOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipv
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipvi
IacuteNDICE GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipvii
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipxi
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipxii
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1
CAPIacuteTULO Ihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
1 Descripcioacuten del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
11 Planteamiento del problemahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
12 Justificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
13 Descripcioacuten del trabajo de gradohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
14 Objetivo generalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
15 Objetivos especiacuteficoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10
16 Limitacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11
CAPIacuteTULO IIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
2 Marco teoacutericohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
viii
Paacuteg
21 Descripcioacuten general de las condiciones iniciales de trabajo dentro de Metro de
Caracas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2111 Chillerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2112 Torre de enfriamiento helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2113 Bombahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15
2115 Fan-Coilhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15
2116 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
2117 Compresorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
2118 Sistemas centrales (Agua Helada) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
22 Tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19
23 Interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22
24 Contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24
241 Criterio para la eleccioacuten de un contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
25 Releacute Teacutermicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26
26 Sensor de flujo o flujoacutestatohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
261 Tipos de sensores de flujohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2611 De pistoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2612 De paleta (compuerta)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestatohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
27 Arranque de motores de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
271 Seleccioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32
272 Ventajas del arrancador suave con respecto a otros sistemas de arranquehelliphellip32
273 Inconvenientes de los arrancadores suaveshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33
274 Funcionamiento de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34
275 Comparacioacuten del arrancador suave respecto a otros tipos de arranquehelliphelliphellip36
2751 Beneficios adicionaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37
ix
2752 Comunicacioacuten Remotahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
28 Fusibles de proteccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
281 Fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43
29 Filosofiacutea de funcionamiento de las bombas de condesado de aguahelliphelliphelliphelliphellip44
CAPIacuteTULO IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Metodologiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
31 Seleccioacuten de los elementos del tablero de control del motor de la bomba de
condesado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
311 Determinacioacuten del tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
313 Determinacioacuten de la corriente de cortocircuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
314 Determinacioacuten de nivel de cortocircuito mediante simulacioacuten de Etap 12 hellip54
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica 55
32 Determinacioacuten del cableado de potenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56
321 Calculo de la curva de dantildeo de un conductorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61
33 Determinacioacuten de los componentes del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
331 Determinacioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
333 Determinacioacuten del contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70
335 El breaker o interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
337 Transformador de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip82
34 Determinacioacuten de los componentes externos al tablero de control y potenciahellip83
x
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip83
CAPIacuteTULO IVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
41 Descripcioacuten del sistema original del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
42 Esquema final del tablero eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87
CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90
RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip94
Bibliografiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip95
Referencias bibliograacuteficas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip97
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip98
Nota solo en la versioacuten digital se veraacuten planos en tamantildeo original con respecto a los anexos impresos
xi
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma IEC
158-1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDORhellip46
4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma CADAFE 42-87)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema-Mg1helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
7 Multiplicadores de reactancia (o impedancias) de maacutequinas para la
combinacioacuten de redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55
9 Resumen de caacutelculos de los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
10 Seleccioacuten de fusible para los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62
11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que la
corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la mismahelliphellip66
12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68
13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de corriente que se muestra
en la figura 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para llevarlos junto
con la curva de interruptor Mag-Breakhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
xii
15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-Break protector de circuito de
motorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip74
16 Consumo de los componente del sistema de control por maacutequinahelliphelliphelliphellip79
17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las bombas
de condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88
xiii
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos18
3 Evolucioacuten de la velocidad durante el arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21
5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna en
arranque directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23
6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Mshelliphelliphelliphellip24
7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27
8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paletahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial de WEGhelliphelliphelliphelliphelliphellip35
10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo directo y
arranque suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36
11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancadorhelliphelliphelliphelliphelliphellip38
12 Arranque recomendado para control de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave modelo escogido SSW06 de
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphellip42
15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
16 Rango de valores xr para motores trifaacutesicos de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53
17 Simulacioacuten en Etapa de los niveles de cortocircuitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54
18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldorhelliphelliphellip56
19 Proteccioacuten de un conductor 30 por medio de un fusiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
xiv
20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB recomendado por
Baldor (julio 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida FUSIBLE FNH2 aRhelliphellip67
22 Variacioacuten de I2t Total x tensioacuten de trabajohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
23 Curva del releacute de proteccioacuten teacutermica de la serie RW317-1D marca WEG con
rango de ajuste de 100 ndash 215Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en Tab 6helliphelliphelliphelliphellip75
25 Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip76
26 Representacioacuten total de las curvas de perfil de corriente de motor dantildeo de motor
y dantildeo de conductor entre otrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
27 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de Maresahellip81
28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61serieshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84
29 Tablero de control de Bomba de condensado de agua en planta de refrigeracioacuten 1
Metro de
Caracashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86
30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada usando
nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89
1
INTRODUCCIOacuteN
El Metro de Caracas es la compantildeiacutea de transporte masivo maacutes grande de la
ciudad capital destacaacutendose por el uso de diversas tecnologiacuteas siendo en su mayoriacutea
instalaciones subterraacuteneas se hizo necesario para el confort del usuario la implantacioacuten
de un sistema de aire acondicionado bien estructurado Este sistema de aire
acondicionado se le denomina a nivel industrial sistema de refrigeracioacuten y estaacute
conformado por las siguientes sub-sistemas a nivel macro
Sistema de agua helada
Sistema de agua condensada
A nivel general se tiene los siguientes componentes chillers unidades de
manejo de aire extractores bajo plataforma ventiladores de emergencia bombas de
agua helada torres de enfriamiento bombas de agua condensada etc y esto solo
contando la parte hidromecaacutenica no hay que olvidar el sistema de energiacutea que propulsa
todo esto formado por transformadores centro de control de motores tableros de
distribucioacuten etc
Es importante resaltar que la implementacioacuten de nuevas tecnologiacuteas no se
corresponde con el simple hecho de ldquomantenerse al diacuteardquo o remplazo por no ser un
equipo actual el iquestPor queacute de estos cambios radica en ventajas econoacutemicas y
tecnoloacutegicas que un sistema moderno pueda reportar La implementacioacuten de un sistema
de fuerza y control que gobierne de forma eficiente las bombas de agua condensada
en los sistemas de refrigeracioacuten del Metro de Caracas es el punto de partida para
proponer soluciones realmente competitivas que ayuden al avance tecnoloacutegico del paiacutes
y a su mejor funcionamiento
Este proyecto se ha dividido en cuatro partes o capiacutetulos cuyos contenidos son
los siguientes
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
7
Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
9
14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
10
15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
11
16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
12
CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
14
Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
17
Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
18
Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
19
22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
25
contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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httpfilesinformacionclasesiupsmwebnodecomve200000045UNIDAD20IIIp
df
[Consulta julio 2016]
Pp 100-103
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
MODERNIZACIOacuteN DE LAS INSTALACIONES ELEacuteCTRICAS
DE LAS BOMBAS DE AGUA DE CONDENSACIOacuteN DE LAS
PLANTAS DE REFRIGERACIOacuteN 1 y 3 DEL METRO DE
CARACAS
PROFESOR GUIacuteA Prof Alexander Cepeda
TUTOR INDUSTRIAL Ing Ramoacuten Muntildeoz
Presentado ante la Ilustre
Universidad Central de Venezuela
Por el Br Chacoacuten F Samuel E
Para optar al tiacutetulo de
Ingeniero Electricista
Caracas 2016
iv
DEDICATORIA
Principalmente a DIOS el Padre y a Jesucristo mi salvador y redentor por ayudarme a
vencer las adversidades darme fortaleza en los momentos maacutes difiacuteciles de mi vida
acompantildearme y aconsejarme durante toda mi existencia
A mi esposa Jennifer por ser mi compantildeera ayuda idoacutenea en cada paso que doy su
amor y paciencia
A mi abuela Petra por los principios y valores que me inculco asiacute como sus
innumerables oraciones para mi eacutexito en los estudios y en la vida
A mis padres que por su apoyo y paciencia que permitieron que lograra esta meta
v
RECONOCIMIENTOS Y AGRADECIMIENTOS
Reconocimiento a la empresa Metro de Caracas por permitirme contribuir en
su desarrollo sostenido A todas aquellas personas que colaboraron dentro de esta
empresa y hago un especial reconocimiento al Ingeniero Augusto Zambrano el
Ingeniero Ramoacuten Muntildeoz quienes laboran dentro del Metro que me apoyaron en la
realizacioacuten de este trabajo
Agradezco a la empresa Corpivensa en especial al Ing Juan Pablo Saacutenchez y
al Ingeniero Eduardo Aacutelvarez por el apoyo prestado en el suministro de manuales
normas cataacutelogos y asesoriacutea necesaria para la realizacioacuten de este proyecto
Al Ingeniero Daniel Passariello quien me brindo un apoyo al facilitarme un
material bibliograacutefico indispensable para el desarrollo teoacuterico de este trabajo asiacute como
agradezco sus consejos aacutenimo y empuje para que culminara de manera satisfactoria
esta meta
A mi suegra Dolores Pintildea de Nieto por el apoyo incondicional en el preacutestamo
de caacutemaras impresoras computadoras y demaacutes materiales que hicieron posible que
este trabajo estuviera culminado con gran calidad y en el tiempo requerido
A mi hijo Joseacute Enrique Castro por toda la ayuda brindada en los uacuteltimos
instantes para la entrega de este Trabajo de Grado que hicieron faacutecil los uacuteltimos
momentos de estreacutes
vi
CHACOacuteN F SAMUEL E
MODERNIZACIOacuteN DE LAS INSTALACIONES ELEacuteCTRICAS
DE LAS BOMBAS DE AGUA DE CONDENSACIOacuteN DE LAS
PLANTAS DE REFRIGERACIOacuteN 1 y 3 DEL METRO DE
CARACAS
Prof Tutor Ing Alexander Cepeda Tutor Ing Industrial Ramoacuten Muntildeoz Tesis
Caracas UCV Facultad de Ingenieriacutea Escuela de Ingenieriacutea Eleacutectrica
Ingeniero Electricista Opcioacuten Potencia Metro de Caracas Trabajo de Grado
2016 112 h + anexos
Palabras Claves Tablero de control y potencia Bombas de condensado de agua
componentes eleacutectricos Seleccioacuten de contactores releacutes Arrancador suave
tiempo de arranque de motores
Resumen Se plantea el disentildeo de un tablero de fuerza y control para las bombas de
condensado de agua ubicadas en las Plantas Centrales de Refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro
de Caracas En eacutel se detalla el anaacutelisis por medio de cual se determina cada uno de los
componentes principales breakers contactores releacutes teacutermicos de proteccioacuten
transformadores de control Se selecciona una solucioacuten comercial como arrancador
para los motores eleacutectricos el cual es de tipo electroacutenico y ofrece ventajas notables en
cuanto al ahorro energeacutetico y mantenimiento de equipamiento a largo plazo A su vez
se hacen las sugerencias necesarias para la aplicacioacuten de sus capacidades de
comunicacioacuten para asiacute permitir el accionamiento y automatismo remoto de dichas
bombas
vii
IacuteNDICE GENERAL
Paacuteg
CONSTANCIA DE APROBACIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiii
DEDICATORIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiv
RECONOCIMIENTO Y AGRADECIMIENTOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipv
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipvi
IacuteNDICE GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipvii
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipxi
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipxii
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1
CAPIacuteTULO Ihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
1 Descripcioacuten del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
11 Planteamiento del problemahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
12 Justificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
13 Descripcioacuten del trabajo de gradohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
14 Objetivo generalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
15 Objetivos especiacuteficoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10
16 Limitacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11
CAPIacuteTULO IIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
2 Marco teoacutericohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
viii
Paacuteg
21 Descripcioacuten general de las condiciones iniciales de trabajo dentro de Metro de
Caracas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2111 Chillerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2112 Torre de enfriamiento helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2113 Bombahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15
2115 Fan-Coilhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15
2116 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
2117 Compresorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
2118 Sistemas centrales (Agua Helada) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
22 Tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19
23 Interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22
24 Contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24
241 Criterio para la eleccioacuten de un contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
25 Releacute Teacutermicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26
26 Sensor de flujo o flujoacutestatohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
261 Tipos de sensores de flujohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2611 De pistoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2612 De paleta (compuerta)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestatohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
27 Arranque de motores de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
271 Seleccioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32
272 Ventajas del arrancador suave con respecto a otros sistemas de arranquehelliphellip32
273 Inconvenientes de los arrancadores suaveshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33
274 Funcionamiento de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34
275 Comparacioacuten del arrancador suave respecto a otros tipos de arranquehelliphelliphellip36
2751 Beneficios adicionaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37
ix
2752 Comunicacioacuten Remotahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
28 Fusibles de proteccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
281 Fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43
29 Filosofiacutea de funcionamiento de las bombas de condesado de aguahelliphelliphelliphelliphellip44
CAPIacuteTULO IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Metodologiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
31 Seleccioacuten de los elementos del tablero de control del motor de la bomba de
condesado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
311 Determinacioacuten del tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
313 Determinacioacuten de la corriente de cortocircuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
314 Determinacioacuten de nivel de cortocircuito mediante simulacioacuten de Etap 12 hellip54
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica 55
32 Determinacioacuten del cableado de potenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56
321 Calculo de la curva de dantildeo de un conductorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61
33 Determinacioacuten de los componentes del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
331 Determinacioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
333 Determinacioacuten del contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70
335 El breaker o interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
337 Transformador de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip82
34 Determinacioacuten de los componentes externos al tablero de control y potenciahellip83
x
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip83
CAPIacuteTULO IVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
41 Descripcioacuten del sistema original del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
42 Esquema final del tablero eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87
CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90
RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip94
Bibliografiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip95
Referencias bibliograacuteficas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip97
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip98
Nota solo en la versioacuten digital se veraacuten planos en tamantildeo original con respecto a los anexos impresos
xi
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma IEC
158-1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDORhellip46
4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma CADAFE 42-87)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema-Mg1helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
7 Multiplicadores de reactancia (o impedancias) de maacutequinas para la
combinacioacuten de redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55
9 Resumen de caacutelculos de los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
10 Seleccioacuten de fusible para los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62
11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que la
corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la mismahelliphellip66
12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68
13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de corriente que se muestra
en la figura 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para llevarlos junto
con la curva de interruptor Mag-Breakhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
xii
15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-Break protector de circuito de
motorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip74
16 Consumo de los componente del sistema de control por maacutequinahelliphelliphelliphellip79
17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las bombas
de condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88
xiii
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos18
3 Evolucioacuten de la velocidad durante el arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21
5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna en
arranque directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23
6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Mshelliphelliphelliphellip24
7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27
8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paletahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial de WEGhelliphelliphelliphelliphelliphellip35
10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo directo y
arranque suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36
11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancadorhelliphelliphelliphelliphelliphellip38
12 Arranque recomendado para control de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave modelo escogido SSW06 de
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphellip42
15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
16 Rango de valores xr para motores trifaacutesicos de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53
17 Simulacioacuten en Etapa de los niveles de cortocircuitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54
18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldorhelliphelliphellip56
19 Proteccioacuten de un conductor 30 por medio de un fusiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
xiv
20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB recomendado por
Baldor (julio 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida FUSIBLE FNH2 aRhelliphellip67
22 Variacioacuten de I2t Total x tensioacuten de trabajohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
23 Curva del releacute de proteccioacuten teacutermica de la serie RW317-1D marca WEG con
rango de ajuste de 100 ndash 215Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en Tab 6helliphelliphelliphelliphellip75
25 Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip76
26 Representacioacuten total de las curvas de perfil de corriente de motor dantildeo de motor
y dantildeo de conductor entre otrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
27 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de Maresahellip81
28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61serieshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84
29 Tablero de control de Bomba de condensado de agua en planta de refrigeracioacuten 1
Metro de
Caracashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86
30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada usando
nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89
1
INTRODUCCIOacuteN
El Metro de Caracas es la compantildeiacutea de transporte masivo maacutes grande de la
ciudad capital destacaacutendose por el uso de diversas tecnologiacuteas siendo en su mayoriacutea
instalaciones subterraacuteneas se hizo necesario para el confort del usuario la implantacioacuten
de un sistema de aire acondicionado bien estructurado Este sistema de aire
acondicionado se le denomina a nivel industrial sistema de refrigeracioacuten y estaacute
conformado por las siguientes sub-sistemas a nivel macro
Sistema de agua helada
Sistema de agua condensada
A nivel general se tiene los siguientes componentes chillers unidades de
manejo de aire extractores bajo plataforma ventiladores de emergencia bombas de
agua helada torres de enfriamiento bombas de agua condensada etc y esto solo
contando la parte hidromecaacutenica no hay que olvidar el sistema de energiacutea que propulsa
todo esto formado por transformadores centro de control de motores tableros de
distribucioacuten etc
Es importante resaltar que la implementacioacuten de nuevas tecnologiacuteas no se
corresponde con el simple hecho de ldquomantenerse al diacuteardquo o remplazo por no ser un
equipo actual el iquestPor queacute de estos cambios radica en ventajas econoacutemicas y
tecnoloacutegicas que un sistema moderno pueda reportar La implementacioacuten de un sistema
de fuerza y control que gobierne de forma eficiente las bombas de agua condensada
en los sistemas de refrigeracioacuten del Metro de Caracas es el punto de partida para
proponer soluciones realmente competitivas que ayuden al avance tecnoloacutegico del paiacutes
y a su mejor funcionamiento
Este proyecto se ha dividido en cuatro partes o capiacutetulos cuyos contenidos son
los siguientes
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
7
Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
9
14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
10
15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
11
16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
12
CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
14
Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
17
Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
18
Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
19
22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
25
contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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98
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50030486-catalogo-espanolpdf
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httpwwwbaldorcomcatalogMST-175-CA
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politeacutecnico Nacional 2009 Pp 110-114
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httpfilesinformacionclasesiupsmwebnodecomve200000045UNIDAD20IIIp
df
[Consulta julio 2016]
Pp 100-103
iv
DEDICATORIA
Principalmente a DIOS el Padre y a Jesucristo mi salvador y redentor por ayudarme a
vencer las adversidades darme fortaleza en los momentos maacutes difiacuteciles de mi vida
acompantildearme y aconsejarme durante toda mi existencia
A mi esposa Jennifer por ser mi compantildeera ayuda idoacutenea en cada paso que doy su
amor y paciencia
A mi abuela Petra por los principios y valores que me inculco asiacute como sus
innumerables oraciones para mi eacutexito en los estudios y en la vida
A mis padres que por su apoyo y paciencia que permitieron que lograra esta meta
v
RECONOCIMIENTOS Y AGRADECIMIENTOS
Reconocimiento a la empresa Metro de Caracas por permitirme contribuir en
su desarrollo sostenido A todas aquellas personas que colaboraron dentro de esta
empresa y hago un especial reconocimiento al Ingeniero Augusto Zambrano el
Ingeniero Ramoacuten Muntildeoz quienes laboran dentro del Metro que me apoyaron en la
realizacioacuten de este trabajo
Agradezco a la empresa Corpivensa en especial al Ing Juan Pablo Saacutenchez y
al Ingeniero Eduardo Aacutelvarez por el apoyo prestado en el suministro de manuales
normas cataacutelogos y asesoriacutea necesaria para la realizacioacuten de este proyecto
Al Ingeniero Daniel Passariello quien me brindo un apoyo al facilitarme un
material bibliograacutefico indispensable para el desarrollo teoacuterico de este trabajo asiacute como
agradezco sus consejos aacutenimo y empuje para que culminara de manera satisfactoria
esta meta
A mi suegra Dolores Pintildea de Nieto por el apoyo incondicional en el preacutestamo
de caacutemaras impresoras computadoras y demaacutes materiales que hicieron posible que
este trabajo estuviera culminado con gran calidad y en el tiempo requerido
A mi hijo Joseacute Enrique Castro por toda la ayuda brindada en los uacuteltimos
instantes para la entrega de este Trabajo de Grado que hicieron faacutecil los uacuteltimos
momentos de estreacutes
vi
CHACOacuteN F SAMUEL E
MODERNIZACIOacuteN DE LAS INSTALACIONES ELEacuteCTRICAS
DE LAS BOMBAS DE AGUA DE CONDENSACIOacuteN DE LAS
PLANTAS DE REFRIGERACIOacuteN 1 y 3 DEL METRO DE
CARACAS
Prof Tutor Ing Alexander Cepeda Tutor Ing Industrial Ramoacuten Muntildeoz Tesis
Caracas UCV Facultad de Ingenieriacutea Escuela de Ingenieriacutea Eleacutectrica
Ingeniero Electricista Opcioacuten Potencia Metro de Caracas Trabajo de Grado
2016 112 h + anexos
Palabras Claves Tablero de control y potencia Bombas de condensado de agua
componentes eleacutectricos Seleccioacuten de contactores releacutes Arrancador suave
tiempo de arranque de motores
Resumen Se plantea el disentildeo de un tablero de fuerza y control para las bombas de
condensado de agua ubicadas en las Plantas Centrales de Refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro
de Caracas En eacutel se detalla el anaacutelisis por medio de cual se determina cada uno de los
componentes principales breakers contactores releacutes teacutermicos de proteccioacuten
transformadores de control Se selecciona una solucioacuten comercial como arrancador
para los motores eleacutectricos el cual es de tipo electroacutenico y ofrece ventajas notables en
cuanto al ahorro energeacutetico y mantenimiento de equipamiento a largo plazo A su vez
se hacen las sugerencias necesarias para la aplicacioacuten de sus capacidades de
comunicacioacuten para asiacute permitir el accionamiento y automatismo remoto de dichas
bombas
vii
IacuteNDICE GENERAL
Paacuteg
CONSTANCIA DE APROBACIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiii
DEDICATORIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiv
RECONOCIMIENTO Y AGRADECIMIENTOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipv
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipvi
IacuteNDICE GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipvii
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipxi
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipxii
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1
CAPIacuteTULO Ihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
1 Descripcioacuten del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
11 Planteamiento del problemahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
12 Justificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
13 Descripcioacuten del trabajo de gradohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
14 Objetivo generalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
15 Objetivos especiacuteficoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10
16 Limitacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11
CAPIacuteTULO IIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
2 Marco teoacutericohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
viii
Paacuteg
21 Descripcioacuten general de las condiciones iniciales de trabajo dentro de Metro de
Caracas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2111 Chillerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2112 Torre de enfriamiento helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2113 Bombahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15
2115 Fan-Coilhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15
2116 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
2117 Compresorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
2118 Sistemas centrales (Agua Helada) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
22 Tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19
23 Interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22
24 Contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24
241 Criterio para la eleccioacuten de un contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
25 Releacute Teacutermicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26
26 Sensor de flujo o flujoacutestatohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
261 Tipos de sensores de flujohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2611 De pistoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2612 De paleta (compuerta)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestatohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
27 Arranque de motores de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
271 Seleccioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32
272 Ventajas del arrancador suave con respecto a otros sistemas de arranquehelliphellip32
273 Inconvenientes de los arrancadores suaveshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33
274 Funcionamiento de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34
275 Comparacioacuten del arrancador suave respecto a otros tipos de arranquehelliphelliphellip36
2751 Beneficios adicionaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37
ix
2752 Comunicacioacuten Remotahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
28 Fusibles de proteccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
281 Fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43
29 Filosofiacutea de funcionamiento de las bombas de condesado de aguahelliphelliphelliphelliphellip44
CAPIacuteTULO IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Metodologiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
31 Seleccioacuten de los elementos del tablero de control del motor de la bomba de
condesado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
311 Determinacioacuten del tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
313 Determinacioacuten de la corriente de cortocircuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
314 Determinacioacuten de nivel de cortocircuito mediante simulacioacuten de Etap 12 hellip54
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica 55
32 Determinacioacuten del cableado de potenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56
321 Calculo de la curva de dantildeo de un conductorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61
33 Determinacioacuten de los componentes del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
331 Determinacioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
333 Determinacioacuten del contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70
335 El breaker o interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
337 Transformador de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip82
34 Determinacioacuten de los componentes externos al tablero de control y potenciahellip83
x
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip83
CAPIacuteTULO IVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
41 Descripcioacuten del sistema original del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
42 Esquema final del tablero eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87
CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90
RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip94
Bibliografiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip95
Referencias bibliograacuteficas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip97
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip98
Nota solo en la versioacuten digital se veraacuten planos en tamantildeo original con respecto a los anexos impresos
xi
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma IEC
158-1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDORhellip46
4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma CADAFE 42-87)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema-Mg1helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
7 Multiplicadores de reactancia (o impedancias) de maacutequinas para la
combinacioacuten de redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55
9 Resumen de caacutelculos de los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
10 Seleccioacuten de fusible para los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62
11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que la
corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la mismahelliphellip66
12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68
13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de corriente que se muestra
en la figura 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para llevarlos junto
con la curva de interruptor Mag-Breakhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
xii
15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-Break protector de circuito de
motorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip74
16 Consumo de los componente del sistema de control por maacutequinahelliphelliphelliphellip79
17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las bombas
de condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88
xiii
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos18
3 Evolucioacuten de la velocidad durante el arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21
5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna en
arranque directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23
6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Mshelliphelliphelliphellip24
7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27
8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paletahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial de WEGhelliphelliphelliphelliphelliphellip35
10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo directo y
arranque suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36
11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancadorhelliphelliphelliphelliphelliphellip38
12 Arranque recomendado para control de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave modelo escogido SSW06 de
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphellip42
15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
16 Rango de valores xr para motores trifaacutesicos de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53
17 Simulacioacuten en Etapa de los niveles de cortocircuitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54
18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldorhelliphelliphellip56
19 Proteccioacuten de un conductor 30 por medio de un fusiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
xiv
20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB recomendado por
Baldor (julio 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida FUSIBLE FNH2 aRhelliphellip67
22 Variacioacuten de I2t Total x tensioacuten de trabajohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
23 Curva del releacute de proteccioacuten teacutermica de la serie RW317-1D marca WEG con
rango de ajuste de 100 ndash 215Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en Tab 6helliphelliphelliphelliphellip75
25 Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip76
26 Representacioacuten total de las curvas de perfil de corriente de motor dantildeo de motor
y dantildeo de conductor entre otrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
27 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de Maresahellip81
28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61serieshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84
29 Tablero de control de Bomba de condensado de agua en planta de refrigeracioacuten 1
Metro de
Caracashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86
30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada usando
nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89
1
INTRODUCCIOacuteN
El Metro de Caracas es la compantildeiacutea de transporte masivo maacutes grande de la
ciudad capital destacaacutendose por el uso de diversas tecnologiacuteas siendo en su mayoriacutea
instalaciones subterraacuteneas se hizo necesario para el confort del usuario la implantacioacuten
de un sistema de aire acondicionado bien estructurado Este sistema de aire
acondicionado se le denomina a nivel industrial sistema de refrigeracioacuten y estaacute
conformado por las siguientes sub-sistemas a nivel macro
Sistema de agua helada
Sistema de agua condensada
A nivel general se tiene los siguientes componentes chillers unidades de
manejo de aire extractores bajo plataforma ventiladores de emergencia bombas de
agua helada torres de enfriamiento bombas de agua condensada etc y esto solo
contando la parte hidromecaacutenica no hay que olvidar el sistema de energiacutea que propulsa
todo esto formado por transformadores centro de control de motores tableros de
distribucioacuten etc
Es importante resaltar que la implementacioacuten de nuevas tecnologiacuteas no se
corresponde con el simple hecho de ldquomantenerse al diacuteardquo o remplazo por no ser un
equipo actual el iquestPor queacute de estos cambios radica en ventajas econoacutemicas y
tecnoloacutegicas que un sistema moderno pueda reportar La implementacioacuten de un sistema
de fuerza y control que gobierne de forma eficiente las bombas de agua condensada
en los sistemas de refrigeracioacuten del Metro de Caracas es el punto de partida para
proponer soluciones realmente competitivas que ayuden al avance tecnoloacutegico del paiacutes
y a su mejor funcionamiento
Este proyecto se ha dividido en cuatro partes o capiacutetulos cuyos contenidos son
los siguientes
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
7
Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
9
14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
10
15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
11
16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
12
CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
14
Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
17
Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
18
Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
19
22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
25
contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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Manual Aparatos de Maniobras de Baja tensioacuten Contactores Releacutes Teacutermicos de
Sobre intensidad AEG
Manual Aparatos de Maniobras de Baja tensioacuten Contactores Releacutes Teacutermicos de
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httpfilesinformacionclasesiupsmwebnodecomve200000045UNIDAD20IIIp
df
[Consulta julio 2016]
Pp 100-103
v
RECONOCIMIENTOS Y AGRADECIMIENTOS
Reconocimiento a la empresa Metro de Caracas por permitirme contribuir en
su desarrollo sostenido A todas aquellas personas que colaboraron dentro de esta
empresa y hago un especial reconocimiento al Ingeniero Augusto Zambrano el
Ingeniero Ramoacuten Muntildeoz quienes laboran dentro del Metro que me apoyaron en la
realizacioacuten de este trabajo
Agradezco a la empresa Corpivensa en especial al Ing Juan Pablo Saacutenchez y
al Ingeniero Eduardo Aacutelvarez por el apoyo prestado en el suministro de manuales
normas cataacutelogos y asesoriacutea necesaria para la realizacioacuten de este proyecto
Al Ingeniero Daniel Passariello quien me brindo un apoyo al facilitarme un
material bibliograacutefico indispensable para el desarrollo teoacuterico de este trabajo asiacute como
agradezco sus consejos aacutenimo y empuje para que culminara de manera satisfactoria
esta meta
A mi suegra Dolores Pintildea de Nieto por el apoyo incondicional en el preacutestamo
de caacutemaras impresoras computadoras y demaacutes materiales que hicieron posible que
este trabajo estuviera culminado con gran calidad y en el tiempo requerido
A mi hijo Joseacute Enrique Castro por toda la ayuda brindada en los uacuteltimos
instantes para la entrega de este Trabajo de Grado que hicieron faacutecil los uacuteltimos
momentos de estreacutes
vi
CHACOacuteN F SAMUEL E
MODERNIZACIOacuteN DE LAS INSTALACIONES ELEacuteCTRICAS
DE LAS BOMBAS DE AGUA DE CONDENSACIOacuteN DE LAS
PLANTAS DE REFRIGERACIOacuteN 1 y 3 DEL METRO DE
CARACAS
Prof Tutor Ing Alexander Cepeda Tutor Ing Industrial Ramoacuten Muntildeoz Tesis
Caracas UCV Facultad de Ingenieriacutea Escuela de Ingenieriacutea Eleacutectrica
Ingeniero Electricista Opcioacuten Potencia Metro de Caracas Trabajo de Grado
2016 112 h + anexos
Palabras Claves Tablero de control y potencia Bombas de condensado de agua
componentes eleacutectricos Seleccioacuten de contactores releacutes Arrancador suave
tiempo de arranque de motores
Resumen Se plantea el disentildeo de un tablero de fuerza y control para las bombas de
condensado de agua ubicadas en las Plantas Centrales de Refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro
de Caracas En eacutel se detalla el anaacutelisis por medio de cual se determina cada uno de los
componentes principales breakers contactores releacutes teacutermicos de proteccioacuten
transformadores de control Se selecciona una solucioacuten comercial como arrancador
para los motores eleacutectricos el cual es de tipo electroacutenico y ofrece ventajas notables en
cuanto al ahorro energeacutetico y mantenimiento de equipamiento a largo plazo A su vez
se hacen las sugerencias necesarias para la aplicacioacuten de sus capacidades de
comunicacioacuten para asiacute permitir el accionamiento y automatismo remoto de dichas
bombas
vii
IacuteNDICE GENERAL
Paacuteg
CONSTANCIA DE APROBACIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiii
DEDICATORIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiv
RECONOCIMIENTO Y AGRADECIMIENTOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipv
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipvi
IacuteNDICE GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipvii
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipxi
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipxii
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1
CAPIacuteTULO Ihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
1 Descripcioacuten del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
11 Planteamiento del problemahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
12 Justificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
13 Descripcioacuten del trabajo de gradohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
14 Objetivo generalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
15 Objetivos especiacuteficoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10
16 Limitacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11
CAPIacuteTULO IIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
2 Marco teoacutericohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
viii
Paacuteg
21 Descripcioacuten general de las condiciones iniciales de trabajo dentro de Metro de
Caracas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2111 Chillerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2112 Torre de enfriamiento helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2113 Bombahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15
2115 Fan-Coilhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15
2116 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
2117 Compresorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
2118 Sistemas centrales (Agua Helada) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
22 Tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19
23 Interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22
24 Contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24
241 Criterio para la eleccioacuten de un contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
25 Releacute Teacutermicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26
26 Sensor de flujo o flujoacutestatohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
261 Tipos de sensores de flujohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2611 De pistoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2612 De paleta (compuerta)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestatohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
27 Arranque de motores de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
271 Seleccioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32
272 Ventajas del arrancador suave con respecto a otros sistemas de arranquehelliphellip32
273 Inconvenientes de los arrancadores suaveshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33
274 Funcionamiento de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34
275 Comparacioacuten del arrancador suave respecto a otros tipos de arranquehelliphelliphellip36
2751 Beneficios adicionaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37
ix
2752 Comunicacioacuten Remotahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
28 Fusibles de proteccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
281 Fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43
29 Filosofiacutea de funcionamiento de las bombas de condesado de aguahelliphelliphelliphelliphellip44
CAPIacuteTULO IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Metodologiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
31 Seleccioacuten de los elementos del tablero de control del motor de la bomba de
condesado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
311 Determinacioacuten del tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
313 Determinacioacuten de la corriente de cortocircuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
314 Determinacioacuten de nivel de cortocircuito mediante simulacioacuten de Etap 12 hellip54
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica 55
32 Determinacioacuten del cableado de potenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56
321 Calculo de la curva de dantildeo de un conductorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61
33 Determinacioacuten de los componentes del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
331 Determinacioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
333 Determinacioacuten del contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70
335 El breaker o interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
337 Transformador de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip82
34 Determinacioacuten de los componentes externos al tablero de control y potenciahellip83
x
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip83
CAPIacuteTULO IVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
41 Descripcioacuten del sistema original del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
42 Esquema final del tablero eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87
CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90
RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip94
Bibliografiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip95
Referencias bibliograacuteficas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip97
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip98
Nota solo en la versioacuten digital se veraacuten planos en tamantildeo original con respecto a los anexos impresos
xi
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma IEC
158-1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDORhellip46
4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma CADAFE 42-87)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema-Mg1helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
7 Multiplicadores de reactancia (o impedancias) de maacutequinas para la
combinacioacuten de redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55
9 Resumen de caacutelculos de los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
10 Seleccioacuten de fusible para los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62
11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que la
corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la mismahelliphellip66
12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68
13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de corriente que se muestra
en la figura 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para llevarlos junto
con la curva de interruptor Mag-Breakhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
xii
15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-Break protector de circuito de
motorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip74
16 Consumo de los componente del sistema de control por maacutequinahelliphelliphelliphellip79
17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las bombas
de condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88
xiii
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos18
3 Evolucioacuten de la velocidad durante el arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21
5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna en
arranque directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23
6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Mshelliphelliphelliphellip24
7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27
8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paletahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial de WEGhelliphelliphelliphelliphelliphellip35
10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo directo y
arranque suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36
11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancadorhelliphelliphelliphelliphelliphellip38
12 Arranque recomendado para control de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave modelo escogido SSW06 de
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphellip42
15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
16 Rango de valores xr para motores trifaacutesicos de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53
17 Simulacioacuten en Etapa de los niveles de cortocircuitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54
18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldorhelliphelliphellip56
19 Proteccioacuten de un conductor 30 por medio de un fusiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
xiv
20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB recomendado por
Baldor (julio 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida FUSIBLE FNH2 aRhelliphellip67
22 Variacioacuten de I2t Total x tensioacuten de trabajohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
23 Curva del releacute de proteccioacuten teacutermica de la serie RW317-1D marca WEG con
rango de ajuste de 100 ndash 215Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en Tab 6helliphelliphelliphelliphellip75
25 Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip76
26 Representacioacuten total de las curvas de perfil de corriente de motor dantildeo de motor
y dantildeo de conductor entre otrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
27 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de Maresahellip81
28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61serieshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84
29 Tablero de control de Bomba de condensado de agua en planta de refrigeracioacuten 1
Metro de
Caracashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86
30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada usando
nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89
1
INTRODUCCIOacuteN
El Metro de Caracas es la compantildeiacutea de transporte masivo maacutes grande de la
ciudad capital destacaacutendose por el uso de diversas tecnologiacuteas siendo en su mayoriacutea
instalaciones subterraacuteneas se hizo necesario para el confort del usuario la implantacioacuten
de un sistema de aire acondicionado bien estructurado Este sistema de aire
acondicionado se le denomina a nivel industrial sistema de refrigeracioacuten y estaacute
conformado por las siguientes sub-sistemas a nivel macro
Sistema de agua helada
Sistema de agua condensada
A nivel general se tiene los siguientes componentes chillers unidades de
manejo de aire extractores bajo plataforma ventiladores de emergencia bombas de
agua helada torres de enfriamiento bombas de agua condensada etc y esto solo
contando la parte hidromecaacutenica no hay que olvidar el sistema de energiacutea que propulsa
todo esto formado por transformadores centro de control de motores tableros de
distribucioacuten etc
Es importante resaltar que la implementacioacuten de nuevas tecnologiacuteas no se
corresponde con el simple hecho de ldquomantenerse al diacuteardquo o remplazo por no ser un
equipo actual el iquestPor queacute de estos cambios radica en ventajas econoacutemicas y
tecnoloacutegicas que un sistema moderno pueda reportar La implementacioacuten de un sistema
de fuerza y control que gobierne de forma eficiente las bombas de agua condensada
en los sistemas de refrigeracioacuten del Metro de Caracas es el punto de partida para
proponer soluciones realmente competitivas que ayuden al avance tecnoloacutegico del paiacutes
y a su mejor funcionamiento
Este proyecto se ha dividido en cuatro partes o capiacutetulos cuyos contenidos son
los siguientes
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
7
Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
9
14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
10
15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
11
16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
12
CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
14
Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
17
Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
18
Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
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22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
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contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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df
[Consulta julio 2016]
Pp 100-103
vi
CHACOacuteN F SAMUEL E
MODERNIZACIOacuteN DE LAS INSTALACIONES ELEacuteCTRICAS
DE LAS BOMBAS DE AGUA DE CONDENSACIOacuteN DE LAS
PLANTAS DE REFRIGERACIOacuteN 1 y 3 DEL METRO DE
CARACAS
Prof Tutor Ing Alexander Cepeda Tutor Ing Industrial Ramoacuten Muntildeoz Tesis
Caracas UCV Facultad de Ingenieriacutea Escuela de Ingenieriacutea Eleacutectrica
Ingeniero Electricista Opcioacuten Potencia Metro de Caracas Trabajo de Grado
2016 112 h + anexos
Palabras Claves Tablero de control y potencia Bombas de condensado de agua
componentes eleacutectricos Seleccioacuten de contactores releacutes Arrancador suave
tiempo de arranque de motores
Resumen Se plantea el disentildeo de un tablero de fuerza y control para las bombas de
condensado de agua ubicadas en las Plantas Centrales de Refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro
de Caracas En eacutel se detalla el anaacutelisis por medio de cual se determina cada uno de los
componentes principales breakers contactores releacutes teacutermicos de proteccioacuten
transformadores de control Se selecciona una solucioacuten comercial como arrancador
para los motores eleacutectricos el cual es de tipo electroacutenico y ofrece ventajas notables en
cuanto al ahorro energeacutetico y mantenimiento de equipamiento a largo plazo A su vez
se hacen las sugerencias necesarias para la aplicacioacuten de sus capacidades de
comunicacioacuten para asiacute permitir el accionamiento y automatismo remoto de dichas
bombas
vii
IacuteNDICE GENERAL
Paacuteg
CONSTANCIA DE APROBACIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiii
DEDICATORIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiv
RECONOCIMIENTO Y AGRADECIMIENTOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipv
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipvi
IacuteNDICE GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipvii
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipxi
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipxii
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1
CAPIacuteTULO Ihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
1 Descripcioacuten del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
11 Planteamiento del problemahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
12 Justificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
13 Descripcioacuten del trabajo de gradohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
14 Objetivo generalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
15 Objetivos especiacuteficoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10
16 Limitacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11
CAPIacuteTULO IIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
2 Marco teoacutericohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
viii
Paacuteg
21 Descripcioacuten general de las condiciones iniciales de trabajo dentro de Metro de
Caracas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2111 Chillerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2112 Torre de enfriamiento helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2113 Bombahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15
2115 Fan-Coilhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15
2116 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
2117 Compresorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
2118 Sistemas centrales (Agua Helada) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
22 Tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19
23 Interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22
24 Contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24
241 Criterio para la eleccioacuten de un contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
25 Releacute Teacutermicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26
26 Sensor de flujo o flujoacutestatohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
261 Tipos de sensores de flujohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2611 De pistoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2612 De paleta (compuerta)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestatohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
27 Arranque de motores de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
271 Seleccioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32
272 Ventajas del arrancador suave con respecto a otros sistemas de arranquehelliphellip32
273 Inconvenientes de los arrancadores suaveshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33
274 Funcionamiento de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34
275 Comparacioacuten del arrancador suave respecto a otros tipos de arranquehelliphelliphellip36
2751 Beneficios adicionaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37
ix
2752 Comunicacioacuten Remotahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
28 Fusibles de proteccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
281 Fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43
29 Filosofiacutea de funcionamiento de las bombas de condesado de aguahelliphelliphelliphelliphellip44
CAPIacuteTULO IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Metodologiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
31 Seleccioacuten de los elementos del tablero de control del motor de la bomba de
condesado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
311 Determinacioacuten del tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
313 Determinacioacuten de la corriente de cortocircuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
314 Determinacioacuten de nivel de cortocircuito mediante simulacioacuten de Etap 12 hellip54
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica 55
32 Determinacioacuten del cableado de potenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56
321 Calculo de la curva de dantildeo de un conductorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61
33 Determinacioacuten de los componentes del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
331 Determinacioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
333 Determinacioacuten del contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70
335 El breaker o interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
337 Transformador de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip82
34 Determinacioacuten de los componentes externos al tablero de control y potenciahellip83
x
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip83
CAPIacuteTULO IVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
41 Descripcioacuten del sistema original del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
42 Esquema final del tablero eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87
CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90
RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip94
Bibliografiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip95
Referencias bibliograacuteficas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip97
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip98
Nota solo en la versioacuten digital se veraacuten planos en tamantildeo original con respecto a los anexos impresos
xi
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma IEC
158-1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDORhellip46
4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma CADAFE 42-87)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema-Mg1helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
7 Multiplicadores de reactancia (o impedancias) de maacutequinas para la
combinacioacuten de redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55
9 Resumen de caacutelculos de los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
10 Seleccioacuten de fusible para los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62
11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que la
corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la mismahelliphellip66
12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68
13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de corriente que se muestra
en la figura 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para llevarlos junto
con la curva de interruptor Mag-Breakhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
xii
15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-Break protector de circuito de
motorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip74
16 Consumo de los componente del sistema de control por maacutequinahelliphelliphelliphellip79
17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las bombas
de condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88
xiii
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos18
3 Evolucioacuten de la velocidad durante el arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21
5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna en
arranque directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23
6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Mshelliphelliphelliphellip24
7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27
8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paletahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial de WEGhelliphelliphelliphelliphelliphellip35
10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo directo y
arranque suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36
11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancadorhelliphelliphelliphelliphelliphellip38
12 Arranque recomendado para control de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave modelo escogido SSW06 de
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphellip42
15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
16 Rango de valores xr para motores trifaacutesicos de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53
17 Simulacioacuten en Etapa de los niveles de cortocircuitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54
18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldorhelliphelliphellip56
19 Proteccioacuten de un conductor 30 por medio de un fusiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
xiv
20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB recomendado por
Baldor (julio 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida FUSIBLE FNH2 aRhelliphellip67
22 Variacioacuten de I2t Total x tensioacuten de trabajohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
23 Curva del releacute de proteccioacuten teacutermica de la serie RW317-1D marca WEG con
rango de ajuste de 100 ndash 215Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en Tab 6helliphelliphelliphelliphellip75
25 Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip76
26 Representacioacuten total de las curvas de perfil de corriente de motor dantildeo de motor
y dantildeo de conductor entre otrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
27 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de Maresahellip81
28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61serieshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84
29 Tablero de control de Bomba de condensado de agua en planta de refrigeracioacuten 1
Metro de
Caracashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86
30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada usando
nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89
1
INTRODUCCIOacuteN
El Metro de Caracas es la compantildeiacutea de transporte masivo maacutes grande de la
ciudad capital destacaacutendose por el uso de diversas tecnologiacuteas siendo en su mayoriacutea
instalaciones subterraacuteneas se hizo necesario para el confort del usuario la implantacioacuten
de un sistema de aire acondicionado bien estructurado Este sistema de aire
acondicionado se le denomina a nivel industrial sistema de refrigeracioacuten y estaacute
conformado por las siguientes sub-sistemas a nivel macro
Sistema de agua helada
Sistema de agua condensada
A nivel general se tiene los siguientes componentes chillers unidades de
manejo de aire extractores bajo plataforma ventiladores de emergencia bombas de
agua helada torres de enfriamiento bombas de agua condensada etc y esto solo
contando la parte hidromecaacutenica no hay que olvidar el sistema de energiacutea que propulsa
todo esto formado por transformadores centro de control de motores tableros de
distribucioacuten etc
Es importante resaltar que la implementacioacuten de nuevas tecnologiacuteas no se
corresponde con el simple hecho de ldquomantenerse al diacuteardquo o remplazo por no ser un
equipo actual el iquestPor queacute de estos cambios radica en ventajas econoacutemicas y
tecnoloacutegicas que un sistema moderno pueda reportar La implementacioacuten de un sistema
de fuerza y control que gobierne de forma eficiente las bombas de agua condensada
en los sistemas de refrigeracioacuten del Metro de Caracas es el punto de partida para
proponer soluciones realmente competitivas que ayuden al avance tecnoloacutegico del paiacutes
y a su mejor funcionamiento
Este proyecto se ha dividido en cuatro partes o capiacutetulos cuyos contenidos son
los siguientes
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
7
Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
9
14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
10
15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
11
16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
12
CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
14
Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
17
Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
18
Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
19
22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
25
contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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Manual Aparatos de Maniobras de Baja tensioacuten Contactores Releacutes Teacutermicos de
Sobre intensidad AEG
Manual Aparatos de Maniobras de Baja tensioacuten Contactores Releacutes Teacutermicos de
Sobre intensidad WEG
Manual de Arrancador suave de WEG
Manual de Instalaciones y Mantenimiento de Motores Eleacutectricos WEG MOTORS
DRIVES
Manual Spectra RMS Model Case Circuit Breakers Ge Consumer and Industrial
Electric Distribution 2008
Merino Azaacutegarra Joseacute Mariacutea Arranque industrial de motores asincroacutenicos
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1974
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df
[Consulta julio 2016]
Pp 100-103
vii
IacuteNDICE GENERAL
Paacuteg
CONSTANCIA DE APROBACIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiii
DEDICATORIAhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipiv
RECONOCIMIENTO Y AGRADECIMIENTOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipv
RESUMENhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipvi
IacuteNDICE GENERALhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipvii
IacuteNDICE DE TABLAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipxi
IacuteNDICE DE FIGURAShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipxii
INTRODUCCIOacuteNhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1
CAPIacuteTULO Ihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
1 Descripcioacuten del proyectohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
11 Planteamiento del problemahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip3
12 Justificacioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip4
13 Descripcioacuten del trabajo de gradohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6
14 Objetivo generalhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip9
15 Objetivos especiacuteficoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10
16 Limitacioneshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11
CAPIacuteTULO IIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
2 Marco teoacutericohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
viii
Paacuteg
21 Descripcioacuten general de las condiciones iniciales de trabajo dentro de Metro de
Caracas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2111 Chillerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2112 Torre de enfriamiento helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2113 Bombahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15
2115 Fan-Coilhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15
2116 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
2117 Compresorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
2118 Sistemas centrales (Agua Helada) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
22 Tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19
23 Interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22
24 Contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24
241 Criterio para la eleccioacuten de un contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
25 Releacute Teacutermicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26
26 Sensor de flujo o flujoacutestatohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
261 Tipos de sensores de flujohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2611 De pistoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2612 De paleta (compuerta)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestatohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
27 Arranque de motores de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
271 Seleccioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32
272 Ventajas del arrancador suave con respecto a otros sistemas de arranquehelliphellip32
273 Inconvenientes de los arrancadores suaveshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33
274 Funcionamiento de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34
275 Comparacioacuten del arrancador suave respecto a otros tipos de arranquehelliphelliphellip36
2751 Beneficios adicionaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37
ix
2752 Comunicacioacuten Remotahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
28 Fusibles de proteccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
281 Fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43
29 Filosofiacutea de funcionamiento de las bombas de condesado de aguahelliphelliphelliphelliphellip44
CAPIacuteTULO IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Metodologiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
31 Seleccioacuten de los elementos del tablero de control del motor de la bomba de
condesado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
311 Determinacioacuten del tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
313 Determinacioacuten de la corriente de cortocircuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
314 Determinacioacuten de nivel de cortocircuito mediante simulacioacuten de Etap 12 hellip54
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica 55
32 Determinacioacuten del cableado de potenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56
321 Calculo de la curva de dantildeo de un conductorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61
33 Determinacioacuten de los componentes del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
331 Determinacioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
333 Determinacioacuten del contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70
335 El breaker o interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
337 Transformador de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip82
34 Determinacioacuten de los componentes externos al tablero de control y potenciahellip83
x
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip83
CAPIacuteTULO IVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
41 Descripcioacuten del sistema original del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
42 Esquema final del tablero eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87
CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90
RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip94
Bibliografiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip95
Referencias bibliograacuteficas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip97
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip98
Nota solo en la versioacuten digital se veraacuten planos en tamantildeo original con respecto a los anexos impresos
xi
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma IEC
158-1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDORhellip46
4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma CADAFE 42-87)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema-Mg1helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
7 Multiplicadores de reactancia (o impedancias) de maacutequinas para la
combinacioacuten de redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55
9 Resumen de caacutelculos de los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
10 Seleccioacuten de fusible para los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62
11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que la
corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la mismahelliphellip66
12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68
13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de corriente que se muestra
en la figura 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para llevarlos junto
con la curva de interruptor Mag-Breakhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
xii
15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-Break protector de circuito de
motorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip74
16 Consumo de los componente del sistema de control por maacutequinahelliphelliphelliphellip79
17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las bombas
de condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88
xiii
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos18
3 Evolucioacuten de la velocidad durante el arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21
5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna en
arranque directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23
6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Mshelliphelliphelliphellip24
7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27
8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paletahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial de WEGhelliphelliphelliphelliphelliphellip35
10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo directo y
arranque suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36
11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancadorhelliphelliphelliphelliphelliphellip38
12 Arranque recomendado para control de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave modelo escogido SSW06 de
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphellip42
15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
16 Rango de valores xr para motores trifaacutesicos de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53
17 Simulacioacuten en Etapa de los niveles de cortocircuitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54
18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldorhelliphelliphellip56
19 Proteccioacuten de un conductor 30 por medio de un fusiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
xiv
20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB recomendado por
Baldor (julio 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida FUSIBLE FNH2 aRhelliphellip67
22 Variacioacuten de I2t Total x tensioacuten de trabajohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
23 Curva del releacute de proteccioacuten teacutermica de la serie RW317-1D marca WEG con
rango de ajuste de 100 ndash 215Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en Tab 6helliphelliphelliphelliphellip75
25 Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip76
26 Representacioacuten total de las curvas de perfil de corriente de motor dantildeo de motor
y dantildeo de conductor entre otrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
27 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de Maresahellip81
28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61serieshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84
29 Tablero de control de Bomba de condensado de agua en planta de refrigeracioacuten 1
Metro de
Caracashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86
30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada usando
nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89
1
INTRODUCCIOacuteN
El Metro de Caracas es la compantildeiacutea de transporte masivo maacutes grande de la
ciudad capital destacaacutendose por el uso de diversas tecnologiacuteas siendo en su mayoriacutea
instalaciones subterraacuteneas se hizo necesario para el confort del usuario la implantacioacuten
de un sistema de aire acondicionado bien estructurado Este sistema de aire
acondicionado se le denomina a nivel industrial sistema de refrigeracioacuten y estaacute
conformado por las siguientes sub-sistemas a nivel macro
Sistema de agua helada
Sistema de agua condensada
A nivel general se tiene los siguientes componentes chillers unidades de
manejo de aire extractores bajo plataforma ventiladores de emergencia bombas de
agua helada torres de enfriamiento bombas de agua condensada etc y esto solo
contando la parte hidromecaacutenica no hay que olvidar el sistema de energiacutea que propulsa
todo esto formado por transformadores centro de control de motores tableros de
distribucioacuten etc
Es importante resaltar que la implementacioacuten de nuevas tecnologiacuteas no se
corresponde con el simple hecho de ldquomantenerse al diacuteardquo o remplazo por no ser un
equipo actual el iquestPor queacute de estos cambios radica en ventajas econoacutemicas y
tecnoloacutegicas que un sistema moderno pueda reportar La implementacioacuten de un sistema
de fuerza y control que gobierne de forma eficiente las bombas de agua condensada
en los sistemas de refrigeracioacuten del Metro de Caracas es el punto de partida para
proponer soluciones realmente competitivas que ayuden al avance tecnoloacutegico del paiacutes
y a su mejor funcionamiento
Este proyecto se ha dividido en cuatro partes o capiacutetulos cuyos contenidos son
los siguientes
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
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Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
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14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
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15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
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16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
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CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
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Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
17
Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
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Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
19
22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
25
contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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df
[Consulta julio 2016]
Pp 100-103
viii
Paacuteg
21 Descripcioacuten general de las condiciones iniciales de trabajo dentro de Metro de
Caracas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip12
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2111 Chillerhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2112 Torre de enfriamiento helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13
2113 Bombahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15
2115 Fan-Coilhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip15
2116 Ventiladorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
2117 Compresorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 16
2118 Sistemas centrales (Agua Helada) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip16
22 Tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip19
23 Interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip22
24 Contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24
241 Criterio para la eleccioacuten de un contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
25 Releacute Teacutermicohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip26
26 Sensor de flujo o flujoacutestatohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
261 Tipos de sensores de flujohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2611 De pistoacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2612 De paleta (compuerta)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestatohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
27 Arranque de motores de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30
271 Seleccioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip32
272 Ventajas del arrancador suave con respecto a otros sistemas de arranquehelliphellip32
273 Inconvenientes de los arrancadores suaveshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip33
274 Funcionamiento de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip34
275 Comparacioacuten del arrancador suave respecto a otros tipos de arranquehelliphelliphellip36
2751 Beneficios adicionaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip37
ix
2752 Comunicacioacuten Remotahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
28 Fusibles de proteccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
281 Fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43
29 Filosofiacutea de funcionamiento de las bombas de condesado de aguahelliphelliphelliphelliphellip44
CAPIacuteTULO IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Metodologiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
31 Seleccioacuten de los elementos del tablero de control del motor de la bomba de
condesado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
311 Determinacioacuten del tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
313 Determinacioacuten de la corriente de cortocircuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
314 Determinacioacuten de nivel de cortocircuito mediante simulacioacuten de Etap 12 hellip54
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica 55
32 Determinacioacuten del cableado de potenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56
321 Calculo de la curva de dantildeo de un conductorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61
33 Determinacioacuten de los componentes del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
331 Determinacioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
333 Determinacioacuten del contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70
335 El breaker o interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
337 Transformador de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip82
34 Determinacioacuten de los componentes externos al tablero de control y potenciahellip83
x
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip83
CAPIacuteTULO IVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
41 Descripcioacuten del sistema original del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
42 Esquema final del tablero eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87
CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90
RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip94
Bibliografiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip95
Referencias bibliograacuteficas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip97
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip98
Nota solo en la versioacuten digital se veraacuten planos en tamantildeo original con respecto a los anexos impresos
xi
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma IEC
158-1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDORhellip46
4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma CADAFE 42-87)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema-Mg1helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
7 Multiplicadores de reactancia (o impedancias) de maacutequinas para la
combinacioacuten de redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55
9 Resumen de caacutelculos de los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
10 Seleccioacuten de fusible para los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62
11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que la
corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la mismahelliphellip66
12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68
13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de corriente que se muestra
en la figura 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para llevarlos junto
con la curva de interruptor Mag-Breakhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
xii
15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-Break protector de circuito de
motorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip74
16 Consumo de los componente del sistema de control por maacutequinahelliphelliphelliphellip79
17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las bombas
de condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88
xiii
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos18
3 Evolucioacuten de la velocidad durante el arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21
5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna en
arranque directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23
6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Mshelliphelliphelliphellip24
7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27
8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paletahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial de WEGhelliphelliphelliphelliphelliphellip35
10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo directo y
arranque suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36
11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancadorhelliphelliphelliphelliphelliphellip38
12 Arranque recomendado para control de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave modelo escogido SSW06 de
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphellip42
15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
16 Rango de valores xr para motores trifaacutesicos de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53
17 Simulacioacuten en Etapa de los niveles de cortocircuitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54
18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldorhelliphelliphellip56
19 Proteccioacuten de un conductor 30 por medio de un fusiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
xiv
20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB recomendado por
Baldor (julio 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida FUSIBLE FNH2 aRhelliphellip67
22 Variacioacuten de I2t Total x tensioacuten de trabajohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
23 Curva del releacute de proteccioacuten teacutermica de la serie RW317-1D marca WEG con
rango de ajuste de 100 ndash 215Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en Tab 6helliphelliphelliphelliphellip75
25 Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip76
26 Representacioacuten total de las curvas de perfil de corriente de motor dantildeo de motor
y dantildeo de conductor entre otrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
27 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de Maresahellip81
28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61serieshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84
29 Tablero de control de Bomba de condensado de agua en planta de refrigeracioacuten 1
Metro de
Caracashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86
30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada usando
nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89
1
INTRODUCCIOacuteN
El Metro de Caracas es la compantildeiacutea de transporte masivo maacutes grande de la
ciudad capital destacaacutendose por el uso de diversas tecnologiacuteas siendo en su mayoriacutea
instalaciones subterraacuteneas se hizo necesario para el confort del usuario la implantacioacuten
de un sistema de aire acondicionado bien estructurado Este sistema de aire
acondicionado se le denomina a nivel industrial sistema de refrigeracioacuten y estaacute
conformado por las siguientes sub-sistemas a nivel macro
Sistema de agua helada
Sistema de agua condensada
A nivel general se tiene los siguientes componentes chillers unidades de
manejo de aire extractores bajo plataforma ventiladores de emergencia bombas de
agua helada torres de enfriamiento bombas de agua condensada etc y esto solo
contando la parte hidromecaacutenica no hay que olvidar el sistema de energiacutea que propulsa
todo esto formado por transformadores centro de control de motores tableros de
distribucioacuten etc
Es importante resaltar que la implementacioacuten de nuevas tecnologiacuteas no se
corresponde con el simple hecho de ldquomantenerse al diacuteardquo o remplazo por no ser un
equipo actual el iquestPor queacute de estos cambios radica en ventajas econoacutemicas y
tecnoloacutegicas que un sistema moderno pueda reportar La implementacioacuten de un sistema
de fuerza y control que gobierne de forma eficiente las bombas de agua condensada
en los sistemas de refrigeracioacuten del Metro de Caracas es el punto de partida para
proponer soluciones realmente competitivas que ayuden al avance tecnoloacutegico del paiacutes
y a su mejor funcionamiento
Este proyecto se ha dividido en cuatro partes o capiacutetulos cuyos contenidos son
los siguientes
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
7
Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
9
14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
10
15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
11
16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
12
CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
14
Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
17
Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
18
Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
19
22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
25
contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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df
[Consulta julio 2016]
Pp 100-103
ix
2752 Comunicacioacuten Remotahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
28 Fusibles de proteccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip41
281 Fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip42
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip43
29 Filosofiacutea de funcionamiento de las bombas de condesado de aguahelliphelliphelliphelliphellip44
CAPIacuteTULO IIIhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Metodologiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
31 Seleccioacuten de los elementos del tablero de control del motor de la bomba de
condesado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
311 Determinacioacuten del tiempo de arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
313 Determinacioacuten de la corriente de cortocircuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
314 Determinacioacuten de nivel de cortocircuito mediante simulacioacuten de Etap 12 hellip54
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica 55
32 Determinacioacuten del cableado de potenciahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56
321 Calculo de la curva de dantildeo de un conductorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61
33 Determinacioacuten de los componentes del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
331 Determinacioacuten del arrancador suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
333 Determinacioacuten del contactorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip70
335 El breaker o interruptor automaacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
337 Transformador de controlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip82
34 Determinacioacuten de los componentes externos al tablero de control y potenciahellip83
x
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip83
CAPIacuteTULO IVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
41 Descripcioacuten del sistema original del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
42 Esquema final del tablero eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87
CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90
RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip94
Bibliografiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip95
Referencias bibliograacuteficas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip97
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip98
Nota solo en la versioacuten digital se veraacuten planos en tamantildeo original con respecto a los anexos impresos
xi
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma IEC
158-1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDORhellip46
4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma CADAFE 42-87)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema-Mg1helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
7 Multiplicadores de reactancia (o impedancias) de maacutequinas para la
combinacioacuten de redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55
9 Resumen de caacutelculos de los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
10 Seleccioacuten de fusible para los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62
11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que la
corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la mismahelliphellip66
12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68
13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de corriente que se muestra
en la figura 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para llevarlos junto
con la curva de interruptor Mag-Breakhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
xii
15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-Break protector de circuito de
motorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip74
16 Consumo de los componente del sistema de control por maacutequinahelliphelliphelliphellip79
17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las bombas
de condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88
xiii
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos18
3 Evolucioacuten de la velocidad durante el arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21
5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna en
arranque directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23
6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Mshelliphelliphelliphellip24
7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27
8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paletahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial de WEGhelliphelliphelliphelliphelliphellip35
10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo directo y
arranque suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36
11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancadorhelliphelliphelliphelliphelliphellip38
12 Arranque recomendado para control de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave modelo escogido SSW06 de
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphellip42
15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
16 Rango de valores xr para motores trifaacutesicos de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53
17 Simulacioacuten en Etapa de los niveles de cortocircuitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54
18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldorhelliphelliphellip56
19 Proteccioacuten de un conductor 30 por medio de un fusiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
xiv
20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB recomendado por
Baldor (julio 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida FUSIBLE FNH2 aRhelliphellip67
22 Variacioacuten de I2t Total x tensioacuten de trabajohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
23 Curva del releacute de proteccioacuten teacutermica de la serie RW317-1D marca WEG con
rango de ajuste de 100 ndash 215Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en Tab 6helliphelliphelliphelliphellip75
25 Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip76
26 Representacioacuten total de las curvas de perfil de corriente de motor dantildeo de motor
y dantildeo de conductor entre otrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
27 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de Maresahellip81
28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61serieshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84
29 Tablero de control de Bomba de condensado de agua en planta de refrigeracioacuten 1
Metro de
Caracashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86
30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada usando
nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89
1
INTRODUCCIOacuteN
El Metro de Caracas es la compantildeiacutea de transporte masivo maacutes grande de la
ciudad capital destacaacutendose por el uso de diversas tecnologiacuteas siendo en su mayoriacutea
instalaciones subterraacuteneas se hizo necesario para el confort del usuario la implantacioacuten
de un sistema de aire acondicionado bien estructurado Este sistema de aire
acondicionado se le denomina a nivel industrial sistema de refrigeracioacuten y estaacute
conformado por las siguientes sub-sistemas a nivel macro
Sistema de agua helada
Sistema de agua condensada
A nivel general se tiene los siguientes componentes chillers unidades de
manejo de aire extractores bajo plataforma ventiladores de emergencia bombas de
agua helada torres de enfriamiento bombas de agua condensada etc y esto solo
contando la parte hidromecaacutenica no hay que olvidar el sistema de energiacutea que propulsa
todo esto formado por transformadores centro de control de motores tableros de
distribucioacuten etc
Es importante resaltar que la implementacioacuten de nuevas tecnologiacuteas no se
corresponde con el simple hecho de ldquomantenerse al diacuteardquo o remplazo por no ser un
equipo actual el iquestPor queacute de estos cambios radica en ventajas econoacutemicas y
tecnoloacutegicas que un sistema moderno pueda reportar La implementacioacuten de un sistema
de fuerza y control que gobierne de forma eficiente las bombas de agua condensada
en los sistemas de refrigeracioacuten del Metro de Caracas es el punto de partida para
proponer soluciones realmente competitivas que ayuden al avance tecnoloacutegico del paiacutes
y a su mejor funcionamiento
Este proyecto se ha dividido en cuatro partes o capiacutetulos cuyos contenidos son
los siguientes
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
7
Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
9
14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
10
15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
11
16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
12
CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
14
Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
17
Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
18
Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
19
22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
25
contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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[Consulta Junio 2016]
Pp 9-13
[8] Cataacutelogo de seleccioacuten de arrancadores suaves [en liacutenea]
httpwwwkamatiltdacomKamatiSIEMENS_filesDimensionamiento20de20A
rrancadores20Suavespdf
98
[Consulta Junio 2016]
P 1
[9] Manual en liacutenea de Fusible ultra raacutepidos WEG [en liacutenea]
httpecatalogwegnetfileswegnetWEG-fusibles-ultra-rapidos-tipo-nh-ar-
50030486-catalogo-espanolpdf
[Consulta junio 2016]
[10] Cataacutelogo en liacutenea de Baldor [en liacutenea]
httpwwwbaldorcomcatalogMST-175-CA
[Consulta julio 2016]
[11] Enriacutequez Harper Gilberto Elementos de Disentildeo de las Instalaciones Eleacutectricas
Industriales Limusa Noriega Editores SA Meacutexico DF Meacutexico 2004 Pp 207
[12] Hernaacutendez Romaacuten G Rosas R Francisco J y Santana G Jorge Coordinacioacuten
de protecciones para un sistema eleacutectrico industrial (Tesis)--Meacutexico DF Instituto
politeacutecnico Nacional 2009 Pp 110-114
[13] Figueroa Joel Diapositivas Unidad III Proteccioacuten contra sobrecorriente [en liacutenea]
httpfilesinformacionclasesiupsmwebnodecomve200000045UNIDAD20IIIp
df
[Consulta julio 2016]
Pp 100-103
x
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip83
CAPIacuteTULO IVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
Resultadoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
41 Descripcioacuten del sistema original del tablerohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
42 Esquema final del tablero eleacutectricohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87
CONCLUSIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90
RECOMENDACIONEShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip94
Bibliografiacuteahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip95
Referencias bibliograacuteficas helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip97
ANEXOShelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip98
Nota solo en la versioacuten digital se veraacuten planos en tamantildeo original con respecto a los anexos impresos
xi
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma IEC
158-1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDORhellip46
4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma CADAFE 42-87)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema-Mg1helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
7 Multiplicadores de reactancia (o impedancias) de maacutequinas para la
combinacioacuten de redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55
9 Resumen de caacutelculos de los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
10 Seleccioacuten de fusible para los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62
11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que la
corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la mismahelliphellip66
12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68
13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de corriente que se muestra
en la figura 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para llevarlos junto
con la curva de interruptor Mag-Breakhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
xii
15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-Break protector de circuito de
motorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip74
16 Consumo de los componente del sistema de control por maacutequinahelliphelliphelliphellip79
17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las bombas
de condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88
xiii
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos18
3 Evolucioacuten de la velocidad durante el arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21
5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna en
arranque directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23
6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Mshelliphelliphelliphellip24
7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27
8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paletahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial de WEGhelliphelliphelliphelliphelliphellip35
10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo directo y
arranque suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36
11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancadorhelliphelliphelliphelliphelliphellip38
12 Arranque recomendado para control de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave modelo escogido SSW06 de
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphellip42
15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
16 Rango de valores xr para motores trifaacutesicos de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53
17 Simulacioacuten en Etapa de los niveles de cortocircuitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54
18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldorhelliphelliphellip56
19 Proteccioacuten de un conductor 30 por medio de un fusiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
xiv
20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB recomendado por
Baldor (julio 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida FUSIBLE FNH2 aRhelliphellip67
22 Variacioacuten de I2t Total x tensioacuten de trabajohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
23 Curva del releacute de proteccioacuten teacutermica de la serie RW317-1D marca WEG con
rango de ajuste de 100 ndash 215Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en Tab 6helliphelliphelliphelliphellip75
25 Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip76
26 Representacioacuten total de las curvas de perfil de corriente de motor dantildeo de motor
y dantildeo de conductor entre otrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
27 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de Maresahellip81
28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61serieshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84
29 Tablero de control de Bomba de condensado de agua en planta de refrigeracioacuten 1
Metro de
Caracashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86
30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada usando
nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89
1
INTRODUCCIOacuteN
El Metro de Caracas es la compantildeiacutea de transporte masivo maacutes grande de la
ciudad capital destacaacutendose por el uso de diversas tecnologiacuteas siendo en su mayoriacutea
instalaciones subterraacuteneas se hizo necesario para el confort del usuario la implantacioacuten
de un sistema de aire acondicionado bien estructurado Este sistema de aire
acondicionado se le denomina a nivel industrial sistema de refrigeracioacuten y estaacute
conformado por las siguientes sub-sistemas a nivel macro
Sistema de agua helada
Sistema de agua condensada
A nivel general se tiene los siguientes componentes chillers unidades de
manejo de aire extractores bajo plataforma ventiladores de emergencia bombas de
agua helada torres de enfriamiento bombas de agua condensada etc y esto solo
contando la parte hidromecaacutenica no hay que olvidar el sistema de energiacutea que propulsa
todo esto formado por transformadores centro de control de motores tableros de
distribucioacuten etc
Es importante resaltar que la implementacioacuten de nuevas tecnologiacuteas no se
corresponde con el simple hecho de ldquomantenerse al diacuteardquo o remplazo por no ser un
equipo actual el iquestPor queacute de estos cambios radica en ventajas econoacutemicas y
tecnoloacutegicas que un sistema moderno pueda reportar La implementacioacuten de un sistema
de fuerza y control que gobierne de forma eficiente las bombas de agua condensada
en los sistemas de refrigeracioacuten del Metro de Caracas es el punto de partida para
proponer soluciones realmente competitivas que ayuden al avance tecnoloacutegico del paiacutes
y a su mejor funcionamiento
Este proyecto se ha dividido en cuatro partes o capiacutetulos cuyos contenidos son
los siguientes
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
7
Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
9
14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
10
15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
11
16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
12
CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
14
Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
17
Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
18
Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
19
22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
25
contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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df
[Consulta julio 2016]
Pp 100-103
xi
IacuteNDICE DE TABLAS
Paacuteg
1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma IEC
158-1helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25
2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hzhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip45
3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDORhellip46
4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto de
medicioacuten (norma CADAFE 42-87)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip47
6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema-Mg1helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49
7 Multiplicadores de reactancia (o impedancias) de maacutequinas para la
combinacioacuten de redhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip52
8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip55
9 Resumen de caacutelculos de los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59
10 Seleccioacuten de fusible para los conductoreshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62
11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que la
corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la mismahelliphellip66
12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68
13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de corriente que se muestra
en la figura 5helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para llevarlos junto
con la curva de interruptor Mag-Breakhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73
xii
15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-Break protector de circuito de
motorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip74
16 Consumo de los componente del sistema de control por maacutequinahelliphelliphelliphellip79
17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las bombas
de condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88
xiii
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos18
3 Evolucioacuten de la velocidad durante el arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21
5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna en
arranque directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23
6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Mshelliphelliphelliphellip24
7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27
8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paletahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial de WEGhelliphelliphelliphelliphelliphellip35
10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo directo y
arranque suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36
11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancadorhelliphelliphelliphelliphelliphellip38
12 Arranque recomendado para control de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave modelo escogido SSW06 de
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphellip42
15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
16 Rango de valores xr para motores trifaacutesicos de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53
17 Simulacioacuten en Etapa de los niveles de cortocircuitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54
18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldorhelliphelliphellip56
19 Proteccioacuten de un conductor 30 por medio de un fusiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
xiv
20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB recomendado por
Baldor (julio 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida FUSIBLE FNH2 aRhelliphellip67
22 Variacioacuten de I2t Total x tensioacuten de trabajohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
23 Curva del releacute de proteccioacuten teacutermica de la serie RW317-1D marca WEG con
rango de ajuste de 100 ndash 215Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en Tab 6helliphelliphelliphelliphellip75
25 Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip76
26 Representacioacuten total de las curvas de perfil de corriente de motor dantildeo de motor
y dantildeo de conductor entre otrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
27 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de Maresahellip81
28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61serieshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84
29 Tablero de control de Bomba de condensado de agua en planta de refrigeracioacuten 1
Metro de
Caracashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86
30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada usando
nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89
1
INTRODUCCIOacuteN
El Metro de Caracas es la compantildeiacutea de transporte masivo maacutes grande de la
ciudad capital destacaacutendose por el uso de diversas tecnologiacuteas siendo en su mayoriacutea
instalaciones subterraacuteneas se hizo necesario para el confort del usuario la implantacioacuten
de un sistema de aire acondicionado bien estructurado Este sistema de aire
acondicionado se le denomina a nivel industrial sistema de refrigeracioacuten y estaacute
conformado por las siguientes sub-sistemas a nivel macro
Sistema de agua helada
Sistema de agua condensada
A nivel general se tiene los siguientes componentes chillers unidades de
manejo de aire extractores bajo plataforma ventiladores de emergencia bombas de
agua helada torres de enfriamiento bombas de agua condensada etc y esto solo
contando la parte hidromecaacutenica no hay que olvidar el sistema de energiacutea que propulsa
todo esto formado por transformadores centro de control de motores tableros de
distribucioacuten etc
Es importante resaltar que la implementacioacuten de nuevas tecnologiacuteas no se
corresponde con el simple hecho de ldquomantenerse al diacuteardquo o remplazo por no ser un
equipo actual el iquestPor queacute de estos cambios radica en ventajas econoacutemicas y
tecnoloacutegicas que un sistema moderno pueda reportar La implementacioacuten de un sistema
de fuerza y control que gobierne de forma eficiente las bombas de agua condensada
en los sistemas de refrigeracioacuten del Metro de Caracas es el punto de partida para
proponer soluciones realmente competitivas que ayuden al avance tecnoloacutegico del paiacutes
y a su mejor funcionamiento
Este proyecto se ha dividido en cuatro partes o capiacutetulos cuyos contenidos son
los siguientes
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
7
Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
9
14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
10
15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
11
16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
12
CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
14
Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
17
Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
18
Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
19
22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
25
contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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httpfilesinformacionclasesiupsmwebnodecomve200000045UNIDAD20IIIp
df
[Consulta julio 2016]
Pp 100-103
xii
15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-Break protector de circuito de
motorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip74
16 Consumo de los componente del sistema de control por maacutequinahelliphelliphelliphellip79
17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85
18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las bombas
de condensado de aguahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88
xiii
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos18
3 Evolucioacuten de la velocidad durante el arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21
5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna en
arranque directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23
6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Mshelliphelliphelliphellip24
7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27
8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paletahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial de WEGhelliphelliphelliphelliphelliphellip35
10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo directo y
arranque suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36
11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancadorhelliphelliphelliphelliphelliphellip38
12 Arranque recomendado para control de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave modelo escogido SSW06 de
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphellip42
15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
16 Rango de valores xr para motores trifaacutesicos de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53
17 Simulacioacuten en Etapa de los niveles de cortocircuitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54
18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldorhelliphelliphellip56
19 Proteccioacuten de un conductor 30 por medio de un fusiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
xiv
20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB recomendado por
Baldor (julio 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida FUSIBLE FNH2 aRhelliphellip67
22 Variacioacuten de I2t Total x tensioacuten de trabajohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
23 Curva del releacute de proteccioacuten teacutermica de la serie RW317-1D marca WEG con
rango de ajuste de 100 ndash 215Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en Tab 6helliphelliphelliphelliphellip75
25 Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip76
26 Representacioacuten total de las curvas de perfil de corriente de motor dantildeo de motor
y dantildeo de conductor entre otrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
27 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de Maresahellip81
28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61serieshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84
29 Tablero de control de Bomba de condensado de agua en planta de refrigeracioacuten 1
Metro de
Caracashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86
30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada usando
nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89
1
INTRODUCCIOacuteN
El Metro de Caracas es la compantildeiacutea de transporte masivo maacutes grande de la
ciudad capital destacaacutendose por el uso de diversas tecnologiacuteas siendo en su mayoriacutea
instalaciones subterraacuteneas se hizo necesario para el confort del usuario la implantacioacuten
de un sistema de aire acondicionado bien estructurado Este sistema de aire
acondicionado se le denomina a nivel industrial sistema de refrigeracioacuten y estaacute
conformado por las siguientes sub-sistemas a nivel macro
Sistema de agua helada
Sistema de agua condensada
A nivel general se tiene los siguientes componentes chillers unidades de
manejo de aire extractores bajo plataforma ventiladores de emergencia bombas de
agua helada torres de enfriamiento bombas de agua condensada etc y esto solo
contando la parte hidromecaacutenica no hay que olvidar el sistema de energiacutea que propulsa
todo esto formado por transformadores centro de control de motores tableros de
distribucioacuten etc
Es importante resaltar que la implementacioacuten de nuevas tecnologiacuteas no se
corresponde con el simple hecho de ldquomantenerse al diacuteardquo o remplazo por no ser un
equipo actual el iquestPor queacute de estos cambios radica en ventajas econoacutemicas y
tecnoloacutegicas que un sistema moderno pueda reportar La implementacioacuten de un sistema
de fuerza y control que gobierne de forma eficiente las bombas de agua condensada
en los sistemas de refrigeracioacuten del Metro de Caracas es el punto de partida para
proponer soluciones realmente competitivas que ayuden al avance tecnoloacutegico del paiacutes
y a su mejor funcionamiento
Este proyecto se ha dividido en cuatro partes o capiacutetulos cuyos contenidos son
los siguientes
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
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Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
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14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
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15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
11
16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
12
CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
14
Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
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Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
18
Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
19
22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
25
contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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Manual Aparatos de Maniobras de Baja tensioacuten Contactores Releacutes Teacutermicos de
Sobre intensidad AEG
Manual Aparatos de Maniobras de Baja tensioacuten Contactores Releacutes Teacutermicos de
Sobre intensidad WEG
Manual de Arrancador suave de WEG
Manual de Instalaciones y Mantenimiento de Motores Eleacutectricos WEG MOTORS
DRIVES
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Norma Simboloacutegica IEC 60617
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[Consulta julio 2016]
Pp 100-103
xiii
IacuteNDICE DE FIGURAS
Paacuteg
1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensadahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7
2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos18
3 Evolucioacuten de la velocidad durante el arranquehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20
4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21
5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna en
arranque directohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip23
6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Mshelliphelliphelliphellip24
7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip27
8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paletahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29
9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial de WEGhelliphelliphelliphelliphelliphellip35
10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo directo y
arranque suavehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36
11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancadorhelliphelliphelliphelliphelliphellip38
12 Arranque recomendado para control de bombashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave modelo escogido SSW06 de
WEGhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39
14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepidohelliphelliphelliphellip42
15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50
16 Rango de valores xr para motores trifaacutesicos de induccioacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53
17 Simulacioacuten en Etapa de los niveles de cortocircuitohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip54
18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldorhelliphelliphellip56
19 Proteccioacuten de un conductor 30 por medio de un fusiblehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63
xiv
20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB recomendado por
Baldor (julio 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida FUSIBLE FNH2 aRhelliphellip67
22 Variacioacuten de I2t Total x tensioacuten de trabajohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
23 Curva del releacute de proteccioacuten teacutermica de la serie RW317-1D marca WEG con
rango de ajuste de 100 ndash 215Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en Tab 6helliphelliphelliphelliphellip75
25 Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip76
26 Representacioacuten total de las curvas de perfil de corriente de motor dantildeo de motor
y dantildeo de conductor entre otrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
27 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de Maresahellip81
28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61serieshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84
29 Tablero de control de Bomba de condensado de agua en planta de refrigeracioacuten 1
Metro de
Caracashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86
30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada usando
nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89
1
INTRODUCCIOacuteN
El Metro de Caracas es la compantildeiacutea de transporte masivo maacutes grande de la
ciudad capital destacaacutendose por el uso de diversas tecnologiacuteas siendo en su mayoriacutea
instalaciones subterraacuteneas se hizo necesario para el confort del usuario la implantacioacuten
de un sistema de aire acondicionado bien estructurado Este sistema de aire
acondicionado se le denomina a nivel industrial sistema de refrigeracioacuten y estaacute
conformado por las siguientes sub-sistemas a nivel macro
Sistema de agua helada
Sistema de agua condensada
A nivel general se tiene los siguientes componentes chillers unidades de
manejo de aire extractores bajo plataforma ventiladores de emergencia bombas de
agua helada torres de enfriamiento bombas de agua condensada etc y esto solo
contando la parte hidromecaacutenica no hay que olvidar el sistema de energiacutea que propulsa
todo esto formado por transformadores centro de control de motores tableros de
distribucioacuten etc
Es importante resaltar que la implementacioacuten de nuevas tecnologiacuteas no se
corresponde con el simple hecho de ldquomantenerse al diacuteardquo o remplazo por no ser un
equipo actual el iquestPor queacute de estos cambios radica en ventajas econoacutemicas y
tecnoloacutegicas que un sistema moderno pueda reportar La implementacioacuten de un sistema
de fuerza y control que gobierne de forma eficiente las bombas de agua condensada
en los sistemas de refrigeracioacuten del Metro de Caracas es el punto de partida para
proponer soluciones realmente competitivas que ayuden al avance tecnoloacutegico del paiacutes
y a su mejor funcionamiento
Este proyecto se ha dividido en cuatro partes o capiacutetulos cuyos contenidos son
los siguientes
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
7
Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
9
14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
10
15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
11
16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
12
CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
14
Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
17
Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
18
Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
19
22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
25
contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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df
[Consulta julio 2016]
Pp 100-103
xiv
20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB recomendado por
Baldor (julio 2016)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65
21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida FUSIBLE FNH2 aRhelliphellip67
22 Variacioacuten de I2t Total x tensioacuten de trabajohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip69
23 Curva del releacute de proteccioacuten teacutermica de la serie RW317-1D marca WEG con
rango de ajuste de 100 ndash 215Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip71
24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en Tab 6helliphelliphelliphelliphellip75
25 Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip76
26 Representacioacuten total de las curvas de perfil de corriente de motor dantildeo de motor
y dantildeo de conductor entre otrashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78
27 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de Maresahellip81
28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61serieshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84
29 Tablero de control de Bomba de condensado de agua en planta de refrigeracioacuten 1
Metro de
Caracashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86
30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada usando
nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617) helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89
1
INTRODUCCIOacuteN
El Metro de Caracas es la compantildeiacutea de transporte masivo maacutes grande de la
ciudad capital destacaacutendose por el uso de diversas tecnologiacuteas siendo en su mayoriacutea
instalaciones subterraacuteneas se hizo necesario para el confort del usuario la implantacioacuten
de un sistema de aire acondicionado bien estructurado Este sistema de aire
acondicionado se le denomina a nivel industrial sistema de refrigeracioacuten y estaacute
conformado por las siguientes sub-sistemas a nivel macro
Sistema de agua helada
Sistema de agua condensada
A nivel general se tiene los siguientes componentes chillers unidades de
manejo de aire extractores bajo plataforma ventiladores de emergencia bombas de
agua helada torres de enfriamiento bombas de agua condensada etc y esto solo
contando la parte hidromecaacutenica no hay que olvidar el sistema de energiacutea que propulsa
todo esto formado por transformadores centro de control de motores tableros de
distribucioacuten etc
Es importante resaltar que la implementacioacuten de nuevas tecnologiacuteas no se
corresponde con el simple hecho de ldquomantenerse al diacuteardquo o remplazo por no ser un
equipo actual el iquestPor queacute de estos cambios radica en ventajas econoacutemicas y
tecnoloacutegicas que un sistema moderno pueda reportar La implementacioacuten de un sistema
de fuerza y control que gobierne de forma eficiente las bombas de agua condensada
en los sistemas de refrigeracioacuten del Metro de Caracas es el punto de partida para
proponer soluciones realmente competitivas que ayuden al avance tecnoloacutegico del paiacutes
y a su mejor funcionamiento
Este proyecto se ha dividido en cuatro partes o capiacutetulos cuyos contenidos son
los siguientes
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
7
Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
9
14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
10
15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
11
16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
12
CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
14
Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
17
Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
18
Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
19
22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
25
contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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Manual Aparatos de Maniobras de Baja tensioacuten Contactores Releacutes Teacutermicos de
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[Consulta julio 2016]
Pp 100-103
1
INTRODUCCIOacuteN
El Metro de Caracas es la compantildeiacutea de transporte masivo maacutes grande de la
ciudad capital destacaacutendose por el uso de diversas tecnologiacuteas siendo en su mayoriacutea
instalaciones subterraacuteneas se hizo necesario para el confort del usuario la implantacioacuten
de un sistema de aire acondicionado bien estructurado Este sistema de aire
acondicionado se le denomina a nivel industrial sistema de refrigeracioacuten y estaacute
conformado por las siguientes sub-sistemas a nivel macro
Sistema de agua helada
Sistema de agua condensada
A nivel general se tiene los siguientes componentes chillers unidades de
manejo de aire extractores bajo plataforma ventiladores de emergencia bombas de
agua helada torres de enfriamiento bombas de agua condensada etc y esto solo
contando la parte hidromecaacutenica no hay que olvidar el sistema de energiacutea que propulsa
todo esto formado por transformadores centro de control de motores tableros de
distribucioacuten etc
Es importante resaltar que la implementacioacuten de nuevas tecnologiacuteas no se
corresponde con el simple hecho de ldquomantenerse al diacuteardquo o remplazo por no ser un
equipo actual el iquestPor queacute de estos cambios radica en ventajas econoacutemicas y
tecnoloacutegicas que un sistema moderno pueda reportar La implementacioacuten de un sistema
de fuerza y control que gobierne de forma eficiente las bombas de agua condensada
en los sistemas de refrigeracioacuten del Metro de Caracas es el punto de partida para
proponer soluciones realmente competitivas que ayuden al avance tecnoloacutegico del paiacutes
y a su mejor funcionamiento
Este proyecto se ha dividido en cuatro partes o capiacutetulos cuyos contenidos son
los siguientes
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
7
Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
9
14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
10
15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
11
16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
12
CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
14
Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
17
Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
18
Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
19
22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
25
contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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98
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df
[Consulta julio 2016]
Pp 100-103
2
PRIMER CAPIacuteTULO se menciona y explica lo relativo al anteproyecto el
problema planteado su justificacioacuten descripcioacuten del trabajo sus objetivos y
limitaciones
SEGUNDO CAPIacuteTULO con ayuda de una base teoacuterica se fijan contenidos a
cerca del arranque y la forma de trabajo de sistema que forman parte de la
investigacioacuten conceptos criterios y normas que soportan el desarrollo del mismo
Ademaacutes de conceptos teoacutericos del funcionamiento de elementos tales como breaker
contactores releacutes teacutermicos etc
TERCER CAPIacuteTULO con la ayuda de normas nacionales e internacionales se
ajuntan los detalles que permiten la determinacioacuten correcta de los interruptores
contactores releacutes teacutermicos y demaacutes dispositivos asiacute como tambieacuten de los componentes
externos necesarios para la automatizacioacuten del sistema sin olvidar el cableado de
potencia
CUARTO CAPIacuteTULO exponen los resultados y hacen las conclusiones se
nombra la bibliografiacutea utilizada que respaldo la investigacioacuten y se presentan los anexos
para completar la informacioacuten de algunos capiacutetulos seguacuten se requiera
3
CAPIacuteTULO I
1 DESCRIPCIOacuteN DEL PROYECTO
11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Han transcurrido varias deacutecadas de la fundacioacuten del Sistema Metro de Caracas
y la tecnologiacutea en diversos lugares ha cambiado yo mejorado en aspectos importantes
el sistema de aire acondicionado en algunas estaciones ya lleva maacutes de 40 antildeos en
funcionamiento llegando al liacutemite de su vida uacutetil y mermando la eficiencia de estos
equipos Recientemente se han adquiridos nuevos sistemas de aire acondicionado y en
algunos casos ya fueron instalados en otros estaacuten por instalarse y otros fueron
restaurados Es por ello que se hace necesaria la modernizacioacuten de los sistemas
eleacutectricos de fuerza y control para toda la planta mediante la aplicacioacuten de ciertas
teacutecnicas basadas en normas y estaacutendares nacionales e internacionales correspondientes
a los aspectos de refrigeracioacuten motores cableado canalizaciones entre otros Se deben
adaptar los tableros y controladores asiacute como tambieacuten los sistemas de protecciones de
dichas plantas de refrigeracioacuten ademaacutes de otros aacutembitos correspondiente a la
Ingenieriacutea Eleacutectrica En el presente proyecto se le dio prioridad al disentildeo del tablero de
control y fuerza del sistema de bombas de agua condensada de la Planta de
Refrigeracioacuten 1 (PR1) cuya ubicacioacuten es cercana a la estacioacuten en Plaza Sucre en Catia
y de la Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3) ubicad cerca la estacioacuten de metro de Chacaiacuteto
del Metro de Caracas
Se tiene que hacer mencioacuten que estos motores en su mayoriacutea estaban con
arranque directo vale la pena destacar que para el antildeo 2012 todas las PR estaban en
funcionamiento mientras que en junio 2016 ninguna lo estaacute
Basaacutendose en criterios teoacutericos y normas se disentildeoacute un tablero para el control y
fuerza para los sistemas de bombas de agua condensada para las PR1 y PR3 Las
Bombas de agua condensadas (BAC) son las que permiten condensar el refrigerante
4
que se encuentra evaporado en el chiller devolvieacutendolo a su estado liacutequido despueacutes de
esto el agua es desalojada y enviada para bajar su temperatura a la torre de enfriamiento
El presente trabajo tuvo como fin determinar los procedimientos y las
metodologiacuteas para la modernizacioacuten de las instalaciones de sistemas eleacutectricos de
fuerza y control de las bombas de condensado de agua de las Plantas de Refrigeracioacuten
1 (PR1) y Planta de Refrigeracioacuten 3 (PR3)
12 JUSTIFICACIOacuteN
Los sistemas eleacutectricos son aquellos que permiten la activacioacuten de maquinarias
y circuitos mediante las aplicaciones de corrientes a traveacutes de los conductores no son
sistemas estaacutendares por tanto deben adaptarse al uso y al nivel energeacutetico requerido
En el Metro de Caracas el sistema de refrigeracioacuten fue modernizado en parte en PR1
(a nivel de motores y bombas) y por modernizar PR3 se instalaron nuevos equipos
tales como chillers bombas de agua para sistemas de agua helada y condensada
tambieacuten se modificaron se realizoacute la colocacioacuten de los conductores a estructuras aeacutereas
para la canalizacioacuten nueva puesto que las antiguas eran subterraacuteneas incrementando
la seguridad en caso de inundacioacuten en algunas ocasiones se improvisaron tableros de
control y de fuerza en otros permanece el mismo tablero desde hace maacutes de 40 antildeos
Para un correcto funcionamiento de las plantas de refrigeracioacuten la
modernizacioacuten de dichos tableros se hace imperativa El tablero de control seraacute el
dispositivo que se encarga de controlar en este caso las bombas de condensado de agua
en el mencionado sistema de refrigeracioacuten de PR1 y PR3 sentildealando cuando arrancan
se adicionan paran y rotan Actualmente este sistema solo cuenta con piezas
electromecaacutenicas releacutes instantaacuteneos contactores y breakers autotransformadores de
control y otros dispositivos mecaacutenicos como sensores de flujo sieacutendo obsoletos antes
5
nuevas tecnologiacuteas que han surgido en los uacuteltimos antildeos y muchos de estos dispositivos
mencionados no funcionan correctamente o son inexistentes Se ha de hacer mencioacuten
que la mayoriacutea de los motores que accionan las bombas esta puesto en arranque directo
Otra desventaja de los tableros actualmente instalados es su poca
automatizacioacuten casi nula en algunos casos (solo funciones parada y arranque estaacuten
presente) en consecuencia su activacioacuten dependeraacute exclusivamente del ser humano
el cual debiera dedicarse solo a la supervisioacuten de dichas plantas y encargarse de eventos
de emergencia El aumento de horas hombres y horas de mantenimiento debido a
paradas innecesaria es otro factor que incentiva para que se tomen cartas en el asunto
con respecto a esta modernizacioacuten con el fin de abaratar los costos de operacioacuten
En Venezuela han aparecido en estas uacuteltimas deacutecadas componentes y
dispositivos electroacutenicos de uacuteltima generacioacuten supliendo los componentes
electromecaacutenicos con que veniacutean funcionado estos tableros hacieacutendolos maacutes confiables
y baratos
La elaboracioacuten de este trabajo se basa en la modernizacioacuten de este tipo de
tablero mediante un nuevo disentildeo usaacutendose para ello componentes que estaacuten presente
en el mercado nacional a un precio accesible Mejoraacutendose con este disentildeo la
confiabilidad autonomiacutea vida uacutetil y reduciendo las rutinas de mantenimiento yo las
paradas innecesarias del sistema
6
13 DESCRIPCIOacuteN DEL TRABAJO DE GRADO
Se inicioacute este trabajo de grado con un arqueo de informacioacuten bibliograacutefica
relacionada con el tema de bombas de agua y de plantas de refrigeracioacuten con la
recopilacioacuten de las normas nacionales y otras internacionales que regulan la
implementacioacuten de los sistemas eleacutectricos que gobiernan estos dispositivos Por lo
tanto se hizo necesario un levantamiento en planta de los equipos instalados asiacute como
la comprensioacuten de la interaccioacuten de los mismos
Determinada la capacidad y caracteriacutesticas de la carga mediante el caacutelculo de la
potencia maacutexima consumida y la capacidad de cortocircuito del cableado de la
instalacioacuten se puede vislumbrar que tipo de dispositivos se usaraacuten Estos factores son
de vital importancia en el buen funcionamiento del sistema es preponderante saber la
corriente maacutexima absorbida durante el arranque de las bombas y las caiacutedas de tensioacuten
que se producen
Siguiendo con el anaacutelisis se selecciona los diferentes componentes que requiere
el tablero interruptores switches de potencia releacutes teacutermicos contactores y fusibles
Cada uno de ellos debe ser adaptado a las caracteriacutesticas de potencia corriente de
arranque y reacutegimen de trabajo que requiere para su funcionamiento eficiente
Este sistema de bombeo de agua de condensacioacuten en su implementacioacuten no
cuenta con switches de nivel y de presioacuten esto se debe a que otro sistema llamado
bombas de agua potable garantiza el caudal de agua agregaacutendola cuando esta se pierde
por evaporacioacuten en la torre de enfriamiento El sistema de agua condensada puede ser
representado en forma sencilla con el siguiente diagrama de bloques (ver figura 1)
7
Tablero eleacutectrico
Loacutegica de
control
Bombas
Liacutenea de bombeo
Flujostato
Pulsadores de
parada Inicio
Parada
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema de bombeo de las bombas de agua
condensada
Existen sentildeales de control para nuestro sistema de bombeo estas baacutesicamente seraacuten
dos
1 Los pulsadores de inicio o parada
2 El sensor flujoacutestato o flujo switche
Los pulsadores seraacuten los controles manuales de inicio o parada de los motores
por parte del operario estos estaacuten ubicados fiacutesicamente en el gabinete de control de
motores
El flujoacutestato es un switche que enviara su sentildeal de parada si y solo si el flujo de
liacutequido en nuestro caso de agua cesa o disminuye a un nivel no detectable por este
sensor apagando el motor que acciona la bomba cuando este caudal no es suficiente
asiacute la bomba no trabajaraacute en vaciacuteo Este dispositivo es ajeno a las gavetas de control
se encuentra dentro de las tuberiacuteas lo cual seraacute explicado en el Capiacutetulo 2 Se le
considera fundamental pues este protege a la bomba maacutes no al motor y es una sentildeal de
control importante
8
Una vez determinado por medio del anaacutelisis y siguiendo las normas se compila
toda la informacioacuten recabada en el levantamiento de campo y esto permite realizar el
esquema eleacutectrico completo del tablero de control y potencia de las bombas de agua de
condensacioacuten donde se observoacute con detalle queacute elementos forman parte del sistema y
cuaacutel es la interaccioacuten que existe entre ellos
9
14 OBJETIVO GENERAL
Modernizar las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de condensacioacuten
de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su normativa interna
y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales
10
15 OBJETIVOS ESPECIacuteFICOS
1 Analizar los sistemas de enfriamiento de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1 y
3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinando
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de
agua de condensacioacuten
2 Realizar un diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de las
plantas centrales de refrigeracioacuten
3 Elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la normativa
de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares nacionales
e internacionales
4 Establecer una configuracioacuten que mejore la funcionalidad del tablero de control
del sistema de bombas de condensacioacuten
5 Realizar el proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las especificaciones
elaboradas
11
16 LIMITACIONES
Para hacer el levantamiento de campo y las respectivas mediciones se debioacute
realizar en compantildeiacutea del personal autorizado de la empresa por ello en ocasiones no
se teniacutea el acceso debido a la no disponibilidad de personal incidiendo de manera
importante en el factor tiempo Los sistemas instalados en su mayoriacutea tienen maacutes de 40
antildeos y las especificaciones teacutecnicas manuales yo planos ya no estaacuten disponibles en la
empresa en este sentido se tuvo que ubicar dicha informacioacuten para realizar este trabajo
la cual en ocasiones no se consiguioacute y se empezoacute de cero
Las condiciones iniciales de trabajo es importante mencionarlas
1 Se encuentra instalados motores nuevos marca Baldor modelo EM2555T-4
con sus respectivas bombas
2 La mayoriacutea de los motores de las bombas de condensacioacuten de agua estaacuten en
arranque directo En 2016 ninguna de estas plantas estaacute en funcionamiento
dejando a Liacutenea 1 del Metro de Caracas con maacutes de 50 de sus estaciones sin
climatizacioacuten
Estos puntos mencionados simplifican este Trabajo de Grado ya que no se
tomara en cuenta el tema de seleccioacuten de un motor eleacutectrico
12
CAPIacuteTULO II
2 MARCO TEOacuteRICO
Se presenta en este capiacutetulo la mayoriacutea de los aspectos maacutes relacionados con
la teoriacutea los cuales constituyen el soporte que sirve de base para el disentildeo del tablero
eleacutectrico de control y potencia del equipo de bombeo Lo que permitiraacute analizar desde
este aacutengulo de perspectiva y con el maacuteximo detalle posible cada uno de los
componentes que conforman este tablero y asiacute poder hacer la mejor seleccioacuten adaptada
a las necesidades de la empresa
21 DESCRIPCIOacuteN GENERAL DE LAS CONDICIONES
INICIALES DEL TRABAJO DENTRO DEL METRO DE CARACAS
Es necesario mencionar que antes de la ejecucioacuten este Trabajo de Grado la
compantildeiacutea Metro de Caracas ya habiacutea adquirido unos motores los cuales fueron
colocados en las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 es por ello que la seleccioacuten de motor no
aplica ademaacutes hay que recordar que gran parte de estos motores esta conectados con
arranque directo mediante esta informacioacuten se deben adaptar los caacutelculos de los
tableros a las caracteriacutesticas de funcionamiento que requieren dichos motores por ello
este capiacutetulo se iniciaraacute en coacutemo encontrar teoacutericamente el tiempo de arranque de
dichos motores el cual representa un caacutelculo indispensable para determinar las
protecciones necesarias
Se deben entender los conceptos baacutesicos de los elementos de un sistema de
refrigeracioacuten para comprender que funcioacuten desempentildea una bomba de condensado de
agua (BAC) aun cuando estos conceptos corresponden maacutes al aacuterea de ingenieriacutea
mecaacutenica son necesarios incluirlos para entender este sistema con claridad
13
211 Elementos que conforman un sistema de refrigeracioacuten
2111 Chiller
ldquoUn chiller (o enfriador de agua) es un aparato industrial que produce agua friacutea para el
enfriamiento de procesos industriales La idea consiste en extraer el calor generado en
un proceso por contacto con agua a una temperatura menor a la que el proceso
finalmente debe quedar Asiacute el proceso cede calor bajando su temperatura y el agua
durante el paso por el proceso la eleva El agua ahora caliente retorna al chiller
adonde nuevamente se reduce su temperatura para ser enviada nuevamente al procesordquo
[1]
ldquoUn chiller es un sistema completo de refrigeracioacuten que incluye un compresor un
condensador evaporador vaacutelvula de expansioacuten (evaporacioacuten) refrigerante y tuberiacuteas
ademaacutes de bomba de impulsioacuten de agua adesde el proceso sistema electroacutenico de
control del sistema depoacutesito de agua gabinete etcrdquo[1]
ldquoDistintos procesos requieren alimentarse con distintos caudales presiones y
temperaturas de agua El agua se puede enfriar a temperaturas finales que alcanzan los
20degC o inclusive temperaturas negativas con la adicioacuten de anticongelantes como por
ejemplo -20degCrdquo [1]
2112 Torre de enfriamiento
ldquoUna torre de refrigeracioacuten es una instalacioacuten que extrae calor del agua
mediante evaporacioacuten o conduccioacutenrdquo[1]
ldquoCuando el agua es reutilizada se bombea a traveacutes de la instalacioacuten en la torre
de enfriamiento Despueacutes de que el agua se enfriacutea se reintroduce como agua de
proceso El agua que tiene que enfriarse generalmente tiene temperaturas entre 40 y 60
˚C El agua se bombea a la parte superior de la torre de enfriamiento y de ahiacute fluye
hacia abajo a traveacutes de tubos de plaacutestico o madera Esto genera la formacioacuten de gotas
14
Cuando el agua fluye hacia abajo emite calor que se mezcla con el aire de arriba
provocando un enfriamiento de 10 a 20˚Crdquo[1]
ldquoParte del agua se evapora causando la emisioacuten de maacutes calor Por eso se puede
observar vapor de agua encima de las torres de refrigeracioacutenrdquo [1]
ldquoPara crear flujo hacia arriba algunas torres de enfriamiento contienen aspas en
la parte superior las cuales son similares a las de un ventilador Estas aspas generan un
flujo de aire ascendente hacia la parte interior de la torre de enfriamiento El agua cae
en un recipiente y se retraeraacute desde ahiacute para al proceso de produccioacutenrdquo [1]
ldquoExisten sistemas de enfriamiento abiertos y cerrados Cuando un sistema es
cerrado el agua no entra en contacto con el aire de fuera Como consecuencia la
contaminacioacuten del agua de las torres de enfriamiento por los contaminantes del aire y
microorganismos es insignificanterdquo [1]
2113 Bomba
ldquoUna bomba es una turbo maacutequina para liacutequidos La bomba se usa para
transformar la energiacutea mecaacutenica en energiacutea hidraacuteulica Las bombas se emplean para
bombear toda clase de liacutequidos (agua aceites de lubricacioacuten combustibles aacutecidos
liacutequidos alimenticios cerveza leche etc) eacuteste grupo constituye el grupo importante
de las bombas sanitarias Tambieacuten se emplean para bombear los liacutequidos espesos con
soacutelidos en suspensioacuten como pastas de papel melazas fangos desperdicios etc Un
sistema de bombeo puede definirse como la adicioacuten de energiacutea a un fluido para moverse
o trasladarse de un punto a otrordquo[1]
ldquoUna bomba centriacutefuga es una maacutequina que consiste en un conjunto de paletas
rotatorias encerradas dentro de una caja o caacuterter o una cubierta o carcasa Las paletas
imparten energiacutea al fluido por la fuerza centriacutefuga Uno de los factores maacutes importantes
que contribuyen al creciente uso de bombas centriacutefugas ha sido el desarrollo universal
de la fuerza eleacutectricardquo[1]
15
2114 Unidad de manejo de aire (UMA)
ldquoUna UMA es un aparato de acondicionamiento de aire que se ocupa de
mantener caudales de aire sometidos a un reacutegimen de temperatura preestablecida
Tambieacuten se encarga de mantener la humedad dentro de valores apropiados asiacute como
de filtrar el airerdquo[1]
ldquoPor siacute mismos no producen calor ni friacuteo este aporte les llega de fuentes
externas (caldera o maacutequinas frigoriacuteficas) por tuberiacuteas de agua o gas refrigerante
Puede no obstante haber un aporte propio de calor mediante resistencias eleacutectricas de
apoyo incorporadas en algunos equiposrdquo[1]
ldquoLa unidad manejadora de aire es capaz de velar por los tres paraacutemetros
elementales de la calidad del aire acondicionado que se resumen en bajo articulado en
suspensioacuten humedad relativa bajo control y temperatura de confort El objetivo de la
UMA es suministrar un gran caudal de aire acondicionado para ser distribuido por una
red de ductos a traveacutes de la instalacioacuten en la cual se encuentra emplazadardquo [1]
2115 Fan-Coil
ldquoEs un sistema de acondicionamiento y climatizacioacuten de tipo mixto que resulta
ventajoso en edificios donde es preciso economizar el maacuteximo de espacio Suple a los
sistemas centralizados que requieren de grandes superficies para instalar sus equipos
Los Fan-Coil se situacutean en cada ambiente a acondicionar a los cuales llega el agua
helada Alliacute el aire es tratado e impulsado con un ventilador al local a traveacutes de un filtro
De este modo cuando el aire se enfriacutea es enviado al ambiente trasmitiendo el calor al
agua que retorna siguiendo el circuitordquo[1]
16
2116 Ventilador
ldquoEs una maacutequina de fluido concebida para producir una corriente de aire
mediante un rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones Entre
sus aplicaciones destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar cerrado
para proporcionar oxiacutegeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores principalmente
en lugares cerrados asiacute como la de disminuir la resistencia de transmisioacuten de calor por
conveccioacutenrdquo[1]
ldquoSe utiliza para desplazar aire o gas de un lugar a otro dentro de o entre
espacios para usos industriales o residenciales para ventilacioacuten o para aumentar la
circulacioacuten de aire en un espacio habitado baacutesicamente para refrescar Por esta razoacuten
es un elemento indispensable en climas caacutelidosrdquo[1]
2117 Compresor
ldquoUn compresor es una maacutequina de fluido que estaacute construida para aumentar la
presioacuten y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles tal como lo son los
gases y los vapores Esto se realiza a traveacutes de un intercambio de energiacutea entre la
maacutequina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la
sustancia que pasa por eacutel convirtieacutendose en energiacutea de flujo aumentando su presioacuten y
energiacutea cineacutetica impulsaacutendola a fluirrdquo[1]
2118 Sistemas Centrales (Agua Helada)
ldquoEstos sistemas se caracterizan por tener equipos de refrigeracioacuten centralizados
y comunes en todos los ambientes siendo el agua (se conoce como helada por su baja
temperatura) el medio utilizado para el enfriamiento y deshumidificacioacuten del aire El
agua es procesada centralmente por un equipo conocido como enfriador o CHILLER
17
Para cumplir su objetivo utiliza un sistema de tuberiacuteas y bombas a traveacutes de los
serpentines (evaporadores) de la UMAacuteS las cuales estaacuten ubicadas ya sea en el interior
o fuera del ambiente o conjunto de localesrdquo[1]
ldquoEste tipo sistema es utilizado generalmente cuando se requieren grandes
capacidades de refrigeracioacuten Baacutesicamente consta de una unidad o varias unidades
enfriadores (CHILLER) donde cada una estaacute constituida por compresores
condensador evaporador y vaacutelvulas de expansioacuten El evaporador es un serpentiacuten por
dentro de cuyos tubos circulan el refrigerante y exteriormente el agua es aquiacute donde
se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor El agua del enfriador circula a lo
largo de las tuberiacuteas de las UMAacutes yo FanCoils el aire interior desplazado por el
ventilador pasa a traveacutes de los serpentines en donde (el aire) disminuye su
temperaturardquo[1]
ldquoEste sistema tambieacuten permite una gran individualidad a los ambientes locales
acondicionados ya que el aacuterea servida por cada UMAacutes yo FanCoil es acondicionado
independientemente y por lo tanto el control de temperatura y humedad responde a las
condiciones particulares de este espaciordquo[1]
18
Figura 2 Torres de enfriamiento Planta de Refrigeracioacuten 2 Metro de Caracas Los
Caobos
19
22 TIEMPO DE ARRANQUE
La obtencioacuten de tiempo de arranque de un motor es fundamental para establecer
las protecciones eleacutectricas
ldquoLa ecuacioacuten que expresa la 2a ley de Newton es
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt [ec 1]
En esta ecuacioacuten tenemos que
Cm = Par motor (Nmiddotm)
Cr = Par resistente (Nmiddotm)
J = Inercia de las masas de los motores (kgmiddotm2)
Ω = Velocidad angular (rads) o (s-1)
Esta ecuacioacuten se puede desarrollar derivando el segundo teacutermino de la siguiente
forma
Cm-Cr=d(JmiddotΩ)dt = Jmiddotd(Ω)dt +Ωmiddotd(J)dt [ec 2]
En la mayor parte de los accionamientos la inercia es constante luego d(J)dt = 0 y en
estos casos que son maacutes frecuentes la ecuacioacuten queda
Cm-Cr=Jmiddotd(Ω)dt [ec 3]
que es su forma maacutes conocida
Cm-Cr = JmiddotdΩdt [ec 3]
La integracioacuten de esta ecuacioacuten nos da el tiempo de arranquerdquo[2]
[ec 4]
ldquoEn esta integral definida los limites son respectivamente la velocidad inicial
al comienzo del proceso Ω = 0 y al final que normalmente es la nominal del punto de
funcionamiento Ω = ΩNrdquo[2]
20
En la figura 3 se ve la curva de evolucioacuten de velocidad
Figura 3 Evolucioacuten de la velocidad durante el tiempo de arranque [2]
ldquoLa integracioacuten de la ecuacioacuten da el tiempo de arranque tiene un caso particular
cuando el par motor tiene la expresioacuten como se ve a continuacioacuten
[ec 5]
El par resistente para este caso particular se toma Cr = 0rdquo[2]
ldquoLa integracioacuten directa da para el tiempo de arranque como
[ec 6]
Si definimos como constante de tiempo de arranque como
Tm = JΩ0Cmaacutex [ec 7]
21
Que se interpreta como el tiempo necesario para arrancar aplicando durante todo el
tiempo el par maacuteximo Cmaacutex entonces el tiempo de arranque seraacute
[ec 8]
Para ver el tiempo t que transcurre hasta llegar al punto de deslizamiento s
bastaraacute sustituir ta por t y sN por s La funcioacuten se representa en la figura 4rdquo[2]
Figura 4 Tiempo de arranque en funcioacuten de Tm [2]
ldquoTambieacuten es interesante deducir una foacutermula para el caacutelculo raacutepido del tiempo
de arranque en supuesto aproximado de que el par acelerador medio Ca = Cm ndash Cr es
constante en todo el campo de velocidad y se expresa en funcioacuten del par nominal CN
del motor y por lo tanto de su potencia PN y velocidad ΩN nominales
[ec 9]
En esta foacutermula ademaacutes de las variables conocidas tenemos
K = Relacioacuten entre el par medio de aceleracioacuten y el par nominal
PN = Potencia del motor en [W]
22
En esta foacutermula se modifica para emplear unidades maacutes comunes
[ec 10]
En la que
PN = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]rdquo[2]
23 INTERRUTOR AUTOMAacuteTICO
ldquoEste debe tener la capacidad de permitir el arranque de la unidad todas las
veces que se ponga en marcha y alcance la velocidad nominal si se bloquea el motor
por cualquier razoacuten debe dispararse protegiendo la maacutequinardquo [3]
ldquoUn motor de induccioacuten de jaula de ardilla disentildeo B seguacuten NEMA (National
Electrical Manufacturers Association) tiene un gran pico de la corriente de arranque
mientras se pone en marcha para los primeros 5 a 8 ciclos alcanza de 5 a 6 veces la
corriente nominal disminuyendo en la medida en que se acerca a la velocidad nominal
en la forma como se observa en la figura 5 En cada arranque del motor la corriente
describiraacute esta evolucioacuten y el interruptor destinado a dar proteccioacuten requerida al motor
y al equipamiento no deberaacute dispararse pues estas seraacuten condiciones normales de
funcionamientordquo[3]
ldquoEste tiempo de arranque que habraacute que calcular es importante para determinar
una proteccioacuten adecuada Aunque como es sabido muchas veces los fabricantes de las
unidades de bombeo no suministran los datos necesarios para tal caacutelculo sino que hay
23
que hacerlo en forma aproximada o experimental con datos obtenidos producto de la
experiencia y la observacioacuten con muy poco apoyo de la teoriacuteardquo [3]
Para el caso en estudio se solicitoacute a Baldor (empresa fabricante de motores) los
datos faltantes para calcular el tiempo de arranque y en octubre 2013 esta empresa
modificoacute la hoja de datos del motor en cuestioacuten
Figura 5 Curva tiacutepica de corriente contra velocidad de un motor de corriente alterna
en arranque directo [3]
ldquoAnalizaremos el tipo de interruptor y su curva basaacutendonos en dos hechos la
evolucioacuten de la corriente de arranque del conjunto motobomba mostrada en la figura
5 y su tiempo de duracioacuten para ello se parte de la ecuacioacuten que rige la dinaacutemica de
24
funcionamiento de la unidad la ecuacioacuten de equilibrio de los pares par a un movimiento
de rotacioacuten
[3] - [ec 11]
Nota las ecuaciones 11 y 3 son ideacutenticas pero tiene distinto nombre de variables
que representa las mismas cantidades fiacutesicas se dejoacute asiacute para respetar las condiciones
de resentildea que mostro el autor original
ldquoDonde M (Cm) representa el par desarrollado por el motor Ms (Cr) el par
resistente de la bomba j el momento de inercia total correspondiente a todas las masas
giratorias w la velocidad angular del eje de la unidad y t el tiempo La figura 6
muestra las curvas de parrdquo [3]
Figura 6 Curvas de par motor M par resistente Ms y el par resultante M-Ms [3]
24 CONTACTOR
ldquoLa base teoacuterica donde se sustenta la seleccioacuten del contactor para el disentildeo se
encuentra en la norma IEC 158-1 en ella se establece las categoriacuteas de trabajo de los
25
contactores en corriente alterna seguacuten el tipo de carga empleada en la que se distingue
entre otros tipos de carga la que nos interesa la de un rotor de jaula de ardillardquo[3]
ldquoEn esta parte de establecen las condiciones en que se hace la conexioacuten y el tipo
de corte de corriente de la maacutequina pues forman condiciones distintas para el arranque
y parada de la maacutequina cuando esta alcance su velocidad nominal ya que afecta
directamente al transitorio de arranque Ver Tabla 1rdquo [3]
Tabla 1 Categoriacuteas de trabajo para los contactores en corriente alterna seguacuten norma
IEC 158-1 [3]
241 Criterios para la eleccioacuten de un contactor
ldquoDebemos tener en cuenta algunas cosas como las siguientes
1 El tipo de corriente la tensioacuten de alimentacioacuten de la
bobina y la frecuencia
2 La potencia nominal de la carga
26
3 Si es para circuito de potencia o de mando el nuacutemero de
contactos auxiliares que se necesita
4 Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobras
muy altas es recomendable el uso de contactores estaacuteticos
o de estado soacutelido rdquo [4]
25 RELEacute TEacuteRMICO
ldquoPara la proteccioacuten por releacutes teacutermicos partiremos del hecho expresado en la
ecuacioacuten
[3] ----------------------------------------------- [ec 12]
27
Figura 7 Curva tiacutepica de releacute de proteccioacuten teacutermica[3]
ldquoCurva que corresponde al calor que se produce por una corriente que circula a
traveacutes de una resistencia determinada Donde I representa el valor eficaz de la corriente
y t es el tiempordquo[3]
ldquoEsta es la expresioacuten analiacutetica de la curva de tiempo de disparo en funcioacuten de
la intensidad La cual se expresa el tiempo que debe transcurrir desde el momento en
28
que se produce la sobrecarga hasta que se desconecta el elemento de mando La figura
7 muestra la curva hiperboacutelica de la ecuacioacuten 12rdquo[3]
26 SENSOR DE FLUJO O FLUJOSTATO
Este sensor es ajeno al tablero de control pero emite una sentildeal de control
fundamental solo dedicada a la proteccioacuten mecaacutenica de la bomba para que esta no
trabaje en vaciacuteo este actuaraacute inmediatamente apagando el motor en caso que no exista
flujo de agua
ldquoEl sensor de flujo es un dispositivo que instalado en liacutenea con una tuberiacutea
permite determinar cuaacutendo estaacute circulando un liacutequido o un gasrdquo[5]
ldquoEstos son del tipo apagadoencendido determinan cuaacutendo estaacute o no circulando
un fluido pero no miden el caudal Para medir el caudal se requiere un
caudaliacutemetrordquo[5]
261 Tipos de sensores de flujo
2611 De pistoacuten
ldquoEs el maacutes comuacuten de los sensores de flujo Este tipo de sensor de flujo se
recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 05 LPM y 20 LPM (LPM =
litro por minuto)rdquo[5]
2612 De paleta (compuerta)
ldquoEste modelo es recomendado para medir grandes caudales de maacutes de 20
LPMrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo
que se pretende detectar El flujo empuja la paleta que estaacute unida a un eje que atraviesa
hermeacuteticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paletardquo[5]
29
Figura 8 Diagrama de sensor de Flujo tipo paleta [5]
ldquoEl que se tiene instalado en el metro es de paleta por la gran cantidad de flujo
manejado y su fiabilidad ante sustancias ajenas al fluidordquo[5]
Cabe mencionar que este uacuteltimo tipo de sensores es el maacutes utilizado en el Metro
en las Plantas de refrigeracioacuten
2613 De elevacioacuten (tapoacuten)
ldquoEste modelo es de uso general Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudalrdquo[5]
ldquoSu mecanismo consiste en un tapoacuten que corta el flujo Del centro del tapoacuten
surge un eje que atraviesa hermeacuteticamente la pared del sensor Ese eje empuja un
interruptor ubicado en el exterior del sensorrdquo[5]
ldquoPara ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapoacutenrdquo[5]
30
262 Consideraciones para la determinacioacuten de un flujoacutestato
ldquoPara determinar el tipo de sensor de flujo se deben tomar en cuenta los
siguientes factores
ldquoCaudal de disparo se debe seleccionar un sensor maacutes sensible si se requiere
detectar flujos muy bajosrdquo[5]
ldquoPeacuterdida de presioacuten al colocar cualquier objeto en el paso de un fluido se estaacute
reduciendo en alguna medida su presioacuten La presioacuten de salida siempre va a ser menor
a la de entrada siendo el sensor de tapoacuten el que maacutes reduce la presioacuten y el sensor de
paleta el menos intrusivordquo[5]
ldquoImpurezas en los fluidos los soacutelidos en los fluidos pueden obstruir el sensor
de pistoacuten En cambio el sensor de paleta es el que menos se ve afectado por los
soacutelidosrdquo[5]
ldquoTipo de fluido se debe seleccionar un sensor que esteacute fabricado con materiales
que soporten el tipo de fluido que vamos se va a detectar La temperatura presioacuten
acidez y densidad son factores que se deben tomar en cuenta para seleccionar los
materialesrdquo [5]
27 Arranques de motores de induccioacuten
Existen varios tipos de arranque de motores pero los encontrados dentro de las
instalaciones del Metro baacutesicamente eran de tres tipos arranque directo arranque
estrella-triangulo y arrancador suave
Explicaremos algunos tipos de arranque
Arranque directo
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica
directamente la tensioacuten nominal a la que debe trabajar
Si el motor arranca a plena carga el embobinado tiende a absorber una cantidad
de corriente muy superior a la nominal lo que hace que las liacuteneas de alimentacioacuten
incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se produzca una
caiacuteda de tensioacuten La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar
31
valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor Su principal
ventaja es el elevado par de arranque 15 veces el nominal
Arranque estrella-triangulo
El arranque estrella-triaacutengulo es el procedimiento maacutes empleado para el
arranque a tensioacuten reducida debido a que su construccioacuten es simple su precio es
reducido y tiene una buena confiabilidad
El procedimiento para reducir la tensioacuten en el arranque consiste en conmutar
las conexiones de los arrollamientos en los motores trifaacutesicos previstos para trabajar
conectados en triaacutengulo en la red de 3 x 380 V
Los bobinados inicialmente se conectan en estrella o sea que reciben la tensioacuten
de fase de 208 V y luego se conectan en triaacutengulo a la tensioacuten de liacutenea de 480 V es
decir que la tensioacuten durante el arranque se reduce 173 veces
Arranque mediante resistencia en serie con el estator
Arranque mediante reactancias en serie con el estator
Arranque con transformador y auto trasformador
Arranque mediante conmutacioacuten estrella triaacutengulo
Arranque mediante bobinado parcial
Arranque con el motor de varias velocidades
Arranque con motor auxiliar
Arranque con bobinado partido
Cada uno de estos arranques estaacuten explicados en profundidad en el libro de ldquoArranque
industrial de motores asincroacutenicosrdquo de Joseacute M Merino A
Estos tienen sus ventajas y desventajas lo que los adecuada en cada caso particular
Uno de los arranques que ofrece ventajas notables en la proteccioacuten de los sistemas
hidraacuteulicos como los que se estaacuten tratando es el ldquoarrancador suave o estaacuteticordquo este
disminuye significativamente el golpe de ariete lo cual es importante tomar en cuenta
en nuestro caso ya que ayuda a la conservacioacuten de la integridad o resistencia de aquellas
32
tuberiacuteas de larga data de uso y entre otra de las posibles ventajas de su implementacioacuten
estaacute el ahorro energeacutetico
271 SELECCIOacuteN DEL ARRANCADOR SUAVE
ldquoLos sistemas de arranque claacutesicos de motores eleacutectricos tienen el
inconveniente tomar valores de intensidad mayores a la corriente nominal (tiacutepicamente
8 veces maacutes) indicada en la placa caracteriacutestica del motorrdquo[6]
ldquoOtro inconveniente que tienen estos arranques son los periodos de paro
instantaacuteneos que se producen en los cambios de conexioacuten por ejemplo el paso de
conexioacuten estrella a triangulo o el paso de una conexioacuten a otra en el caso de arranque
por autotransformadorrdquo[6]
ldquoEl arrancador suave es un arrancador estaacutetico que permite arrancar suavemente
un motor de induccioacuten asiacutencrono de rotor en cortocircuito aumentaacutendole
progresivamente la tensioacuten desde cero voltios hasta la tensioacuten nominal (0 a 480 V) es
decir ejerce un control sobre la tensioacuten durante el tiempo que se establece el
arranquerdquo[6]
ldquoBajo esta misma filosofiacutea de funcionamiento permite la parada de un motor
de manera gradual es decir disminuyendo progresivamente la tensioacuten de alimentacioacuten
del motor desde el valor nominal hasta un valor cerordquo[6]
272 VENTAJAS DEL ARRANCADOR SUAVE CON RESPECTO A
OTROS SISTEMAS DE ARRANQUE
ldquoAl utilizar un controlador de motor se obtiene desde el punto de vista teacutecnico
Una limitacioacuten de la intensidad de arranque controlando la tensioacuten
aplicada y consiguiendo reducir con ello gastos innecesarios de
energiacutea y sobrecalentamiento en los motores
Control del valor de la tensioacuten en el proceso de parada permitiendo
realizar una parada suave ideal para aplicaciones de electrobombas
33
Ahorro energeacutetico
Protege el motor ante sobrecalentamiento de sus devanados
Mayor seguridad mecaacutenica en la maacutequina que acciona el motor
Contactos libres de potencial para diversas aplicaciones
Elimina las tensiones mecaacutenicas que se producen en el arranque de
motores y en general en cualquier acoplamiento al efectuar el
arranque de una manera suave de tal manera que evita dantildear los
productos que estaacuten siendo movidos por las maacutequinas (en nuestro
caso conserva la vida uacutetil de la empacaduras de las tuberiacuteas que
retiene el agua disminuye el golpe de ariete)
Se eliminan los problemas claacutesicos arrancadores estrella-triaacutengulo
Se pueden ajustar a voluntad los paraacutemetros de rampa de arranque
rampa de parada y par de arranque
Evita el desgaste mecaacutenico que puedan sufrir las maacutequinas en el
arranque y parada de manera tan brusca
Todo ello contribuye a una reduccioacuten en los costos de las reparaciones
y una prolongacioacuten de la vida uacutetil de los motoresrdquo [6]
273 INCONVENIENTES DE LOS ARRANCADORES SUAVES
ldquoLos arrancadores estaacuteticos (arrancadores suaves) tambieacuten tiene algunos
pequentildeos inconvenientes transitorios que solo existen durante el proceso de arranque
los efectos que provocan las corrientes que salen de los arrancadores estaacuteticos al no
ser ondas senoidales puras generan armoacutenicos que producen en el motor perdidas por
calentamientos ruidos y vibracionesrdquo[6]
ldquoLos inconvenientes maacutes representativos son
Peacuterdidas en el motor porque la tensioacuten de alimentacioacuten durante el
arranque no es senoidal
34
Debido a que el valor de la alimentacioacuten baja durante el arranque el
calentamiento del estator es mayor y existen peacuterdidas por el efecto
Joule
El deslizamiento durante el arranque es mayor lo que provoca un mayor
calentamiento del rotor
La impedancia de un motor eleacutectrico es variable dependiendo de la
intensidad real del motor y del valor de su deslizamiento
Si se tienen que instalar condensadores para mejorar el factor de
potencia se deben instalar aguas arriba del arrancador estaacuteticordquo[6]
274 FUNCIONAMIENTO DE UN ARRANCADOR SUAVE
ldquoUna vez conectado el circuito de potencia del arrancador suave a tensioacuten
nominal se aplica tensioacuten al circuito de control al recibir eacuteste tensioacuten automaacuteticamente
va aumentando eacutesta gradualmente a la salida del circuito de potencia del arrancador
(dependiendo de la situacioacuten de los potencioacutemetros de ajuste) hasta llegar al 100 de
la tensioacuten nominal de alimentacioacuten consiguiendo con ello arrancar suavemente el
motorrdquo[6]
ldquoLos arrancadores estaacuteticos de lazo cerrado comparan el valor consigna
introducido por el usuario con los valores que proceden del transductor que consignan
valores instantaacuteneos Los transductores pueden ser transformadores de intensidad
tensioacuten encoder o dinamo tacomeacutetricardquo[6]
ldquoEl resultado de esta comparacioacuten pasa al dispositivo de regulacioacuten dando como
resultado que el aacutengulo de conduccioacuten de tiristores sea mayor o menor en funcioacuten del
valor que le llegardquo[6]
ldquoUn arrancador estaacutetico seraacute maacutes preciso cuanto maacutes se aproxime al valor de
consignardquo[6]
ldquoLa intensidad del arranque se puede ajustar hasta cinco veces el valor de la
intensidad nominalrdquo[6]
35
ldquoAl alcanzar el motor el 100 de la tensioacuten de alimentacioacuten los
semiconductores de potencia quedan punteados con un releacute electromecaacutenico quedando
el motor directo con la liacuteneardquo[6]
Figura 9 Ejemplo de una conexioacuten de un arrancador comercial [7]
36
275 Comparacioacuten del arrancador suaves respecto a otros tipos de
arranques
A continuacioacuten una comparacioacuten de diferentes tipos de arranque
Figura 10 Comparacioacuten de los distintos tipos de arranque estrella-triangulo
directo y arranque suave
Observando detenidamente la figura 10 el arranque de color rojo es el directo y
es el que actualmente se tiene instalado en las bombas de las plantas de refrigeracioacuten 1
y 3 se evidencia el impacto de la intensidad de corriente en la potencia consumida en
el arranque El arranque estrella-triangulo de color morado posee un cambio brusco
de estado como se puede ver lo cual no lo hace candidato como solucioacuten por el estreacutes
que este causa en las partes mecaacutenicas de la motobomba La solucioacuten de esta propuesta
es la de arrancador suave o estaacutetico este nos ofrece el equilibrio entre ahorro energeacutetico
y proteccioacuten mecaacutenica
37
2751 Beneficios adicionales
ldquo32-bit RISC microcontrolador de alto rendimento
Proteccioacuten electroacutenica del motor
HMI extraiacuteble con display doble (LEDLCD)
Meacutetodos de control totalmente programables
Control de par (torque) totalmente flexible
Funcioacuten ldquoKick-startrdquo para cargas con alta inercia
Funcioacuten ldquoPump controlrdquo para el control inteligente de los
sistemas de bombeo
Evita el ldquogolpe de arieterdquo en bombas
Limita los picos de corriente en la red
Limita la caiacuteda de tensioacuten durante los arranques
Tensioacuten Universal (220 a 575 Vac)
Fuente de alimentacioacuten conmutada con filtro EMC
(94Vca a 253Vca)
Bypass incorporado en los modelos de 10A hasta 820A
permite tamantildeo reducido ahorro de energiacutea y aumento de
la vida uacutetil del Arrancador Suave
Memoria back-up de la proteccioacuten del motor I2t imagen
teacutermica
Proteccioacuten contra desequilibrio de tensioacuten y de corriente
Proteccioacuten contra sobresub tensioacuten y corriente
Entrada para PTC del motor
Reduccioacuten del estreacutes sobre acoplamientos y equipos de
transmisioacuten (reductores roldanas correas etchellip)
Aumento de la vida uacutetil del motor y del sistema mecaacutenico
de la maacutequina accionada
Faacutecil operacioacuten programacioacuten y mantenimiento viacutea HMI
Instalacioacuten eleacutectrica y mecaacutenica sencilla
38
Puesta en marcha orientada
Posibilidad de conexioacuten estaacutendar o conexioacuten dentro del
Triaacutengulo del motor (conexioacuten 6 cables)
Todas las protecciones y funciones estaacuten disponibles en
los dos tipos de conexiones
Proteccioacuten contra errores de comunicacioacuten serie o Fieldbus
Operacioacuten en ambiente hasta 55degC (sin reduccioacuten de
corriente) para modelos 10A a 820A y hasta 40degC
(sin reduccioacuten de corriente) para modelos 950A a 1400A
Certificaciones Internacionales IRAM C-Tick UL cUL y CErdquo[7]
Protecciones resaltantes
Figura 11 Reaccioacuten ante sobrecorriente y sobretensiones del arrancador [7]
Meacutetodo de arranque recomendado para bombas de agua
39
Figura 12 Arranque recomendado para control de bombas [7]
Figura 13 Representacioacuten de la carcasa del arrancador suave [7]
40
2752 Comunicacioacuten remota
ldquoLos arrancadores Suaves pueden operar en redes de comunicacioacuten ldquoFieldbusrdquo
a traveacutes de los protocolos estandarizados maacutes conocidos mundialmente
Tipos de Fieldbus soportados
Modbus RTU
Profibus D
Profibus DPV1
DeviceNet
DeviceNet Acyclic
EthernetIP
EthernetModbusTCPrdquo[7]
ldquoDestinadas principalmente para integrar plantas de automatizacioacuten (sistemas)
redes de comunicacioacuten raacutepidas ofrece ventajas en el monitoreo y en el control ldquoon-
linerdquo del Arrancador Suave proporcionando un elevado rendimiento y una gran
fiabilidad operacional son caracteriacutesticas exigidas en las aplicaciones de sistemas
complejos yo interconectadosrdquo[7]
ldquoPara la interconexioacuten en redes de comunicacioacuten en redes de comunicacioacuten
ldquoFieldbusrdquo Profibus DP Profibus DPV1 DeviceNet DeviceNet Acyclic EthernetIP
o EthernetModbusTcp Los Arrancadores Suaves SSW-06 necesitan un moacutedulo
opcional de acuerdo con el protocolo deseado En el caso de Modbus RTU se puede
utilizar RS-232 (disponible como estaacutendar en el SSW-06) o la interfaz RS-485
(opcional)rdquo[7]
Ademaacutes de todas las ventajas de monitoreo de las protecciones y del control de
los accionamientos del motor tambieacuten se pueden utilizar las entradas digitales salidas
digitales y analoacutegicas como una unidad remota de IOrsquos del maestro de red ldquoFieldbusrdquo
Para mayor informacioacuten de este dispositivo y sus opcionales ver anexos 9 A al anexo
9 C inclusive
41
2753 Criterios de seleccioacuten de un arrancador suave
ldquoExisten varios paraacutemetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar a la hora de
dimensionar un arrancador suave entre los cuales sobresalen
1 Corriente nominal del motor Es el factor maacutes importante La seleccioacuten debe
hacerse con la corriente de placa del motor en lugar de la potencia
2 La aplicacioacuten Una vez establecida la corriente es posible obtener un
dimensionamiento preliminar del equipo Sin embargo la aplicacioacuten determina
si debe usar un arrancador suave de mayor tamantildeo para ajustarse a las
condiciones de operacioacuten
3 La altura sobre el nivel del mar es otro factor a considerar Por el desempentildeo
teacutermico de la electroacutenica la capacidad de corriente disminuye con la altura
pero solo debe ajustarse si la altura supera los 1000 metros sobre el nivel del
mar para el este Trabajo de Grado no implica caso no aplica
4 Frecuencia de maniobra Usualmente en la industria los equipos son accionados
(ciclo encendido - apagado) una o muy pocas veces al diacutea En algunos casos
particulares las condiciones de operacioacuten exigen frecuencias de maniobras
muy elevadas en cuyo caso se deben observar los liacutemites maacuteximos tanto del
motor como del arrancador Cuando el nuacutemero de arranques por hora es alto
debe ser necesario aumentar el tamantildeo del arrancadorrdquo [8] Para este caso
particular tampoco aplicariacutea este criterio
28 Fusibles de proteccioacuten
Es de hacer notar que un fusible es un dispositivo de proteccioacuten para
elementos eleacutectricos o electroacutenicos Esta permitiraacute el paso de la corriente
mientras esta no supera un valor especiacutefico
42
En el presente proyecto de Metro y para nuestro tablero de control y
fuerza existiraacuten dos tipos de fusibles
1 Fusible de potencia este seraacute colocado con el arrancador suave pero sus
caracteriacutesticas son especiales pues estaacute disentildeado especiacuteficamente para
proteger dispositivos electroacutenicos son llamados comercialmente fusibles
ultra raacutepidos
2 Fusible de proteccioacuten para el transformador de control
281 Fusibles ultra raacutepidos
ldquoEn Cortocircuito o sobrecarga el elemento fusible de aplicacioacuten
tradicional se funde abriendo el circuito eleacutectrico interrumpiendo el paso
corrienterdquo[9]
ldquoDurante el cortocircuito con la proteccioacuten del fusible ultra raacutepido habraacute
una limitacioacuten de corriente de cortocircuito presumida conforme a la figura
14 Esta disminucioacuten draacutestica de la energiacutea que el fusible ultra raacutepido permite
pasar al circuito es la gran diferencia para proteger una aplicacioacuten maacutes
sensible a pico de corriente como equipos electroacutenicos o semiconductoresrdquo[9]
Figura 14 Intensidad vs tiempo funcionamiento tiacutepico de un fusible ultra raacutepido [9]
43
ldquoLos Fusibles ultra raacutepidos son aplicados para la proteccioacuten contra
cortocircuitos de semiconductores que pueden ser encontrados por ejemplo en
dispositivos de baja tensioacuten como convertidores de frecuencia y arrancadores
suavesrdquo[9]
ldquoLos fusibles ultra raacutepidos son ensamblados en cuerpo ceraacutemico de alta calidad
rellenos de arena de cuarzo impregnada con elemento fusible en plata y terminales de
cobre plateadordquo[9]
ldquoEsta estructura proporciona el oacuteptimo aislamiento eleacutectrico robustez mecaacutenica
y capacidad de resistencia contra choques teacutermicos durante la desconexioacuten del fusible
en valores de I2t reducidosrdquo[9]
ldquoPor ser fusibles ultra raacutepidos no poseen proteccioacuten contra sobrecargasrdquo[9]
ldquoEllos no pueden operar arriba de su corriente nominal de acuerdo al indicado
en la curva tiempo x corriente Caso contrario el fusible sufriraacute una sobrecarga teacutermica
que reduciraacute su capacidad de interrupcioacuten y su vida uacutetil De esta manera es obligatorio
el uso de alguacuten dispositivo complementario de proteccioacuten contra sobrecarga para la
completa proteccioacuten del equipo Por otro lado el fusible garantiza la proteccioacuten impar
de los semiconductores por limitar la corriente y la energiacutea (I2t) durante un
cortocircuitordquo[9]
ldquoEl fusible actuacutea raacutepidamente para altos valores de muacuteltiplos de corriente
abriendo el circuito e impidiendo que el valor presumido de corriente de corto-circuito
Ip sea alcanzadordquo[9]
282 Dimensionamiento de un fusible ultra raacutepido
ldquoVarias condiciones influyen en la capacidad de conduccioacuten de corriente de un
fusible por ejemplo temperatura del ambiente ventilacioacuten forzada y la seccioacuten
transversal de las barras o cables Vale la pena destacar que el caso ciacuteclico de
sobrecarga es la condicioacuten maacutes determinante que puede causar la quema prematura del
44
fusible Equipos que incorporan dispositivos semiconductores y consecuentemente
fusibles ultra raacutepidos son frecuentemente sometidos a las sobrecargas repetitivas o
ciacuteclicas Bajo estas condiciones las temperaturas en el elemento fusible pueden llegar
a la fusioacuten o fatigacioacuten resultando en una operacioacuten indebida Para evitar las
consecuencias de las sobrecargas ciacuteclicas se debe dimensionar el fusible ultra raacutepidos
para que su corriente de fusioacuten preferencialmente sea mayor que la corriente de
sobrecarga por el mismo periacuteodo de duracioacuten de la mismardquo[9]
29 FILOSOFIacuteA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS DE
CONDENSADO DE AGUA
Los criterios en los cuales se enmarcaraacute el funcionamiento de las motobombas
se basa en las experiencias y el manejo tiacutepico que se le ha dado en este tipo de maacutequinas
dentro del Metro de Caracas
Para iniciar el funcionamiento de estas bombas se tiene que cumplir ciertas
condiciones lo primero es el voltaje nominal (480V) segundo debe existir flujo de
agua pues sino el sensor de flujo detendraacute la bomba en ejecucioacuten En condicioacuten de
parada existiraacute un indicador de color rojo y en condicioacuten normal indicador verde
Tanto en PR1 y PR3 existen cuatro (4) Bombas de Agua Helada (BAH) cuatro
(4) Bombas de Agua Condensada (BAC) y 4 chillers No todas las bombas ni todos los
chillers estaraacuten encendidos y de acuerdo con las condiciones de operacioacuten que se
establecieron en el Metro un grupo de funcionamiento normal debe estar conformado
por dos BAH un BAC y un chiller que deben estar en funcionamiento 24 horas x 7
diacuteas es decir 7 diacuteas a la semana 24 horas al diacutea
45
CAPIacuteTULO III
3 METODOLOGIacuteA
31 SELECCIOacuteN DE LOS ELEMENTOS DEL TABLERO DE
CONTROL DEL MOTOR DE LA BOMBA DE CONDESANDO DE AGUA
En general es normal colocar arranque directo a motores de induccioacuten hasta 30
HP en 208 V pero este no es el caso pues se tiene un motor que posee 100 hp en 480
V con lo cual el arranque directo no es recomendable por las caiacutedas de tensiones que
produce en la red de potencia y los niveles de corriente de arranque que se producen
A continuacioacuten en la tabla 2 se recogen las caracteriacutesticas maacutes importante del
motor suministrado por el fabricante BALDOR
Tabla 2 Datos de placa del motor BALDOR EM2555T-4 100HP 1780RPM 3F
60Hz
CAT NO EM2555T-4 PN ENCLOSURE OPSB
SPEC 44E192W048G1 CC 010A FRAME 404T
HP 100 CLASS F HZ 60
VOLT 460 KVA-CODE G ODE BRG 6312
AMP 115 USABLE AT 208V DE BRG 6316
RATING 40C AMB-CONT GREASE POPLYREX EM
ROTOR
INERTIA 144 LFsup2
NEMA-NOM-EFF 954 PF 85 SERF 115
46
Tabla 3 Datos de desempentildeo tiacutepico sin valores garantizados del motor BALDOR
Caracteriacutesticas generales
Torque a plana carga 2950LB-FT Configuracioacuten de arranque DOL
Corriente sin carga 415 Amps Torque de arranque 8430 LB-FT
Res Liacutenea a liacutenea
25degC
00465 Ohms A Ph
00 Ohms B Ph Torque de levantamiento 4090 LB-FT
Incremento de temp
a carga nominal 40 C Torque de rot Bloqueado 5000 LB-FT
Incremento a temp FS 53 C Corriente de arranque 7650 Amps
Caracteriacutestica de carga
DE CARGA NOMINAL 25 50 75 100 125 150 FS
Factor de potencia 510 730 820 850 860 860 860
Eficiencia 931 954 958 956 952 945 954
Velocidad 17960 17910 17860 17810 17750 17690 17770
Amp de liacuteneas 494 677 895 1152 1430 1726 1319
Uno de los valores maacutes importante que posee la tabla anterior es el valor de la
corriente de arranque 765 Amperios este valor determinaraacute toda nuestra seleccioacuten de
elementos del tablero de proteccioacuten y la coordinacioacuten de protecciones
Existen dos normas venezolanas que obligan a cumplir con valores maacuteximo y
miacutenimos de tensioacuten una de ellas es la norma COVENIN 159-2005 donde se extrajo la
siguiente tabla 4 y una norma maacutes antigua CADAFE 42-87 que se hace referencia con
la tabla 5
47
Tabla 4 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma COVENIN 159-2005)
Tabla 5 Liacutemites permisibles de la tensioacuten de servicio del sistema en el punto
de medicioacuten (norma CADAFE 42-87)
TENSIOacuteN NOMINAL (Voltios)
TENSIOacuteN MAacuteXIMA (Voltios)
TENSIOacuteN MIacuteNIMA (Voltios)
120 126 114
240 252 228
120 240 126 252 114 228
208Y 120 218Y 126 197Y 114
416Y 240 436Y 252 395Y 228
480Y 277 504Y 291 456Y 263
Basaacutendose en ambas normas nuestro liacutemite es de 480V plusmn5 es decir 504V
como valor maacuteximo y 456V como valor miacutenimo Sumando a esto se tiene una maacutequina
de 100 HP con su factor de servicio de 115 se hablariacutea de un maacuteximo teoacuterico 115 HP
y cuya corriente tiacutepica de arranque es de 765 A seguacuten tabla 3 Por todas estas
caracteriacutesticas se hace necesario utilizar un arranque especial distinto al directo que
garantice el nivel de tensioacuten y conserve las partes mecaacutenicas involucradas con el equipo
de bombeordquo
48
311 Determinacioacuten del tiempo de arranque
Como se explicoacute en el apartado 22 existe una forma raacutepida de estimar el tiempo
de arranque el cual es fundamental saber para los ajustes de las protecciones que
se veraacute a continuacioacuten
La ecuacioacuten de caacutelculo raacutepido de tiempo de arranque es la siguiente
[ec 14]
Donde
J = Representa el momento de inercia
K = Es la relacioacuten que existente entre los pares de aceleracioacuten y el par nominal
Ca = Potencia del motor en [kW]
nN = Velocidad del motor en [rpm]
Seguacuten los datos del fabricante Baldor en los anexos se tienen los siguientes datos
Ca = Par aceleracioacuten medio = 409 Lb-Ft
CN = Par nominal = 295 Lb-Ft
K = Ca CN = 13864406
PN = 100 Hp = 746 kW
J = 144 Lb-Ftsup2 = 06068175912 Kgm2
nN = 1781 rpm
[ec 14]
Cabe destacar que este resultado es en segundo(s) y es arranque en vaciacuteo
Este valor referencial ayudaraacute a realizar la coordinacioacuten de protecciones
t 0000010966060681759121781
2
13864406746 float 5 020408
49
312 Determinacioacuten de la curva de perfil de corriente del motor Baldor
modelo EM2555T-4
Las caracteriacutesticas principales que intervienen en la seleccioacuten de la proteccioacuten
de un motor eleacutectrico son
1 El par que se debe vencer para dar movimiento (par de oposicioacuten)
2 El tiempo que desarrolla para alcanzar su velocidad nominal
Los aspectos que se consideran importantes para la seleccioacuten de las caracteriacutesticas de
proteccioacuten para motores eleacutectricos se obtiene de la llamada curva del perfil de
corrientes para motor eleacutectrico donde se ubica lo siguiente
1 Corriente a plena carga
2 Corriente de magnetizacioacuten
3 Corriente a rotor bloqueado
4 Tiempo de aceleracioacuten
5 Tiempo de atascamiento
La corriente nominal de motor Baldor
In= 115 A
La corriente del rotor bloqueado
Irb=kIn [ec 15]
k factor que corresponde a la letra de coacutedigo (KVA-CODE) en nuestro caso es la G
Tabla 6 Designacioacuten de KVA-CODE por letra Norma Nema ndashMg1
50
G= 56 - 63 KVAHp
Irb= kIn= 63x115=7245 A [ec 16] (tomo el factor de letra maacutes alto) tiempo de 01 s a
4 s
La corriente de magnetizacioacuten (se toma 15 veces el valor de Irb por ser de bajo voltaje)
IM= 15xIrb= 15x7245=108675 A [ec 17] tiempo de 0 a 01
Figura 15 Curva perfil de corriente de motor Baldor modelo EM2555T-4
313 Determinacioacuten de la corriente de corto circuito del motor Baldor modelo
EM2555T-4
Apoyado bajo la norma IEEE STD 141-1993 (Red Book) se tiene
119878119861119886119904119890 =746times119867119901
119865119901timesradic3times119890119891 [ec 18]
Donde
Sbase= Potencia base del sistema
Hp= Valor de potencia de placa del motor 100 HP
Fp= Valor de factor de potencia del motor 085
4
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente de motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
51
Ef= eficiencia para motores menores a 25 Hp es 07 y para motores
mayores 25 Hp 08
Evaluando queda
119878119861119886119904119890 =746times100
085timesradic3times08=6333 KVA [ec 19]
119920119913119938119956119942 =119930119913119938119956119942
radic120785times119933119939119938119956119942=
120788120785120785120785119922
radic120785times120786120790120782= 7618 119860 [ ec 20]
IBase= Corriente base del Sistema
VBase= Voltaje base del Sistema
119920119940119940(120782120783) =119933119957119945(120782120783)
119937119940119940(120782120783)=
120783
120782120784120790= 357 [ec 21]
Donde
Icc(01)= corriente de cortorcircuito por unidad
Vth(01)= es el voltaje de Thevenin por unidad
Zcc(04)= es valor de Zcc equivalente ver tabla 7
Por lo tanto
119868119888119888 119904119894119898 = 119868119861119886119904119890 times 119868119888119888(01)[ec 22]
119868119888119888 119904119894119898 = 7618 times 357 = 27191 119860
52
Tabla 7 Multiplicadores de reactancias (o impedancias) de maacutequinas rotativas para la
combinacioacuten de red [11]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 23]
Donde
Icc asim = Corriente de cortocircuito asimeacutetrica
t= tiempo en ciclos
XR= relacioacuten entre la reactancia y la resistencia ver graacutefico 16
53
Figura 16 Rango de valores de xr para motores trifaacutesicos de induccioacuten
Icc sim= corriente de cortocircuito simeacutetrica
Evaluando queda
Tomando la relacioacuten xr de la grafica 16 en la curva media xr es 9
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic
120783 + 120784119942
minus120786120645(119957)119935119929 ) times 119920119940119940 119956119946119950 [ec 24]
119920119940119940 119938119956119946119950 = (radic120783 + 120784119942minus120786120645(120783)
120791 ) times 120784120789120783 120791120783 = 120785120785120784 120786120788 119912
Mediante este uacuteltimo valor se tiene el nivel miacutenimo que debe tener que
soportar los conductores sin que reporten dantildeo y dimensionar el
interruptor para que tenga la capacidad de despeje a este nivel corriente
sin que sufra desperfecto por ello
54
314 Determinacioacuten de Nivel de corto circuito mediante simulacioacuten de ETAP 12
Figura 17 Simulacioacuten en Etap de los niveles de cortocircuito
Como se puede Observar en color rojo estaacuten los
niveles de cortocircuito de cada barra de la Panta
de Refrigeracioacuten
55
315 Determinacioacuten de curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor en forma teoacuterica
ldquoCurva de dantildeo teacutermico Esta curva representa tres curvas distintas las cuales
siempre se dibujan como si fueran una curva general Estos liacutemites teacutermicos son zonas
relativamente indeterminadas las cuales son mencionadas a continuacioacuten
- La porcioacuten de la corriente maacutes alta indica el nuacutemero permisible de veces la corriente
de rotor bloqueado
Este es el tiempo en que el motor puede permanecer en reposo despueacutes que el
motor ha sido energizado antes de que ocurra el dantildeo teacutermico en las barras del rotor y
los anillos conectores oacute incluso en el estator
- La curva de liacutemite teacutermico de aceleracioacuten de la corriente de rotor bloqueado a la
corriente de par de arranque del motor es alrededor del 75 de la velocidad del motor
- La curva de liacutemite teacutermico de operacioacuten representa la capacidad de sobrecarga del
motor esto durante la operacioacuten de emergencia
Debido a que estos paraacutemetros solamente son obtenidos por medio del fabricante se
disentildea una curva de liacutemite aproximada por medio de dos puntos los cuales son
mostrados en la Tabla 8rdquo [13]
Tabla 8 Curva teacutermica de motores eleacutectricos [13]
56
Figura 18 Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
32 Determinacioacuten del cableado de potencia
Si se parte de una corriente nominal tiacutepica de 115 A por fase y una potencia
trifaacutesica de 95 KVA 480V (condiciones de instalacioacuten del motor Baldor) y distancia
maacutexima de 50 m se procedioacute al caacutelculo
119878 =(0746times119875)
119891119901times119899 [ec 25]
Donde
S= Potencia eleacutectrica adsorbida por la carga en KVA
P= Potencia mecaacutenica de la carga en HP
fp= factor de potencia de la carga
n= Rendimiento mecaacutenico
119878 =(0746times100)
085times0954= 91996 119870119881119860 [ec 26]
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000
t (s
)
I (A)
Curva de perfil de corriente vs Curva de dantildeo teacutermico del motor Baldor
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico(Teoacuterica)
57
Tambieacuten existe otra forma de representar esta potencia
119878 = radic3 times (119881119871 times 119868119871) = 1732 times 0480 times 115 = 9560 119870119881119860 [ec 27]
S= Potencia aparente adsorbida por la carga en KVA
VL= Voltaje de liacutenea de la carga en kV
IL = Corriente de liacutenea en A
Dado que este nuacutemero es mayor pues no toma eficiencia ni factor de potencia
se tomaraacute como valor base para el caacutelculo de conductores para agregar un mayor nivel
de seguridad
Donde
Cos(ɸ)= 085 (Dato de placa del motor)
Voltaje del sistema = 480 V trifaacutesico a 60hz
Corriente a plena carga
119868119871 =9560
radic3times048= 11499 119860 [ec28]
Lo cual corresponde con la corriente a plena carga del motor Baldor
El caacutelculo de la corriente derrateada (Id) dependeraacute de los siguientes factores de
correccioacuten
Factores de ajuste por cantidad de conductores por tuberiacutea (Nc) usa la tabla
31015 del Coacutedigo eleacutectrico nacional 2004 (p 128)
Factor= 80 pues se selecciona de 4 a 6 conductores= 080
Reacutegimen de temperatura del conductor se elije 90 ordmC
Factor de correccioacuten de temperatura (Ft) por la tabla 31016 CEN 2004
(p130)= 087
Factor de carga del conductor (Fc) 80= 080
119868119889 =119868119871
119873119888times119865119905times119865119888 =
11499
080times087times080= 20652 119860 [ec29]
Caacutelculo por caiacuteda de tensioacuten
58
Basaacutendose en el CEN -2004 Tabla 8 propiedades de los conductores (p704) se busca
el valor de la resistencia del conductor recubierto de cobre AWG 30 es 02610 ΩKm
75 ordmC
En este caso se debe recurrir a la foacutermula de correccioacuten de temperatura para ajustar el
valor de resistencia
1198772 = 1198771 times (1 + 120572 times (1198792 minus 1198791)) [ec 30]
Donde
R2 = Resistencia del conductor corrida a la nueva temperatura en Ωm
R1 = Resistencia del conductor a 75ordmC en Ωm
α = 000323 para el cobre y 000330 para el aluminio ambos a 75ordmC
T2 = Temperatura en ordmC en condiciones de disentildeo en nuestro caso 90ordmC
T1 = Temperatura en ordmC de 75ordmC
1198772 = (206091119864 minus 4) times (1 + 000393 times (90 minus 75))=27356E-04 Ωm [ec 31]
Para el conductor AWG 30 a las mismas condiciones de operacioacuten descritas seraacute
XL= 17105E-4 Ωm
Caiacuteda de tensioacuten seraacute dada por
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =119870119881119860119898
119873119862times (1198772 times 119865119901 +
119883119871times119878119890119899119900(119860119888119900119904(119865119901))
119881119899times10times02082 ) [ec 32]
119881119899 = (0480
0208)2=5325 ec 21
119862119886119894119889119886 119889119890 119905119890119899119904119894oacute119899 =4780
1times (27356119864 minus 4 times 085 +
17105119864minus119886times119878119890119899119900(119860119888119900119904(085))
5325times10times02082 ) =
067 [ec 33]
Donde
KVAm= Es el valor de la potencia aparente multiplicada por la cantidad de metros de
conductor que seraacuten 50 m
Nc= nuacutemero de conductores por faces
R2= resistencia a temperatura de operacioacuten calculada previamente
Fp= factor de potencia de operacioacuten 085
Vn= Factor de nivel de tensioacuten
XL= Reactancia del conductor en Ωm
59
DATOS DEL SISTEMA
Sistema 480 VCA 3F 4H 60 HZ
Nivel de Tensioacuten (KV) 0480
Carga (KVA) 9560
cos 085
KVAm= 478000
Corriente a plena carga (Amp) 11499
CALCULO POR CAPACIDAD DE CORRIENTE
Factor de Carga del Conductor 80
Temperatura Ambiente (ordmC) 41- 45
Corriente Derrateada (Amp) 20652
Conductor Escogido 30
CALCULO POR CAIDA DE TENSION
Calibre del Conductor 30
Resistencia (Ohmm) 27356E-04
Reactancia (Ohmm) 13816E-04
Caiacuteda de Tensioacuten () 063
Tabla 9 Resumen de caacutelculos de los conductores
El cable escogido es 30 THHW 90degC de material cobre cumple con los valores de
tensioacuten y corriente seguacuten caacutelculos
Para mayores detalles de coacutemo se realizoacute el caacutelculo ir al anexo 1A al anexo 1B
321 Caacutelculo de la curva de dantildeo de un conductor
ldquoPara el trazo de la curva de dantildeo se emplea generalmente las curvas
proporcionadas por los fabricantes pero en el caso que no se conozcan se aplican las
ecuaciones 33 y 34 se aplican las ecuaciones respectivamente
60
Para el cobre
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0029711989711990011989210[
(119905119891)+2345
1199050+2345] [ec 33]
Para el aluminio
(119868
119862119872)
2(119905)119865119886119888 = 0012511989711990011989210[
(119905119891)+2281
1199050+2281] [ec 34]
Donde
I=Corriente que circula por el conductor en A
CM=Calibre del conductor
t= Tiempo en que circula la corriente en s
t0= Temperatura inicial antes del cambio de corriente en ordmC
tf= Temperatura final despueacutes del cambio de corriente en ordmC
Fac= relacioacuten de efecto de piel o relacioacuten de corriente alterna a corriente
directardquo[11]
ldquoA continuacioacuten trazamos la curva de dantildeo de un conductor de cobre 30 AWG (85
mm2) en con papel en escala logariacutetmica en este caso el conductor tiene una ampacidad
de 355 A su temperatura es de 90 ordmC la temperatura final liacutemite de asilamiento es de
150 ordmC el factor de efecto de piel es de 110rdquo[11]
851198981198982(1119901119906119897119892
254119898119898)2 (
1119862119872120587
410minus61199011199061198971198922
) = 1677496456 119862119872 [ec 35]
Despejando la corriente que circula por el conductor dela ecuacioacuten queda
119868 = (radic(0029711989711990011989210 (119905119891+2345 ordm119862
1199050+2345 ordm119862))(01 times 110))119862119872[ec 36]
Para trazar la curva de dantildeo del conductor 30 se considera los tiempos de
referencia t0= 01 s tf= 10 s
61
11986801 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(01 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec36]
11986810 = (radic(0029711989711990011989210 (150ordm119862+2345 ordm119862
90 ordm119862+2345 ordm119862))(10 times 110))1677496456 = 2366045784 119860 [ec37]
322 Seleccioacuten de proteccioacuten de conductores eleacutectricos
ldquoLa proteccioacuten de los conductores 30 AWG se realiza trazando la curva de
dantildeo del conductor y la curva de su ampacidad en hojas logariacutetmicas la ampacidad del
conductor se toma de la norma NOM-001-SEDE-2005rdquo [11]
ldquoLa proteccioacuten con fusibles se realiza al 300 de la corriente de su ampacidad
por lo que la proteccioacuten debe ser siempre este porcentaje si llegara a pasar este
porcentaje la proteccioacuten del conductor con fusibles estariacutea sobradardquo[11]
Ifus=355x3=1065 A [ec 38](Para el conductor de cobre 30 AWG)
ldquoPara elegir la curva de fusible que permita proteger correctamente a los
conductores de cobre 30 se usa una de las curvas que se encuentran dentro de los
liacutemites de la corriente ampacidad y la curva del dantildeo eleacutectrico del conductor La curva
del fusible que se escoge para proteger al conductor 30 la que se encuentra enseguida
de la curva de la corriente del fusiblerdquo[11]
Para el conductor de cobre 30 AWG se usaraacute el fusible de 160 A ya que opera
de a 650 A En la tabla 10 se muestra la seleccioacuten de la cura del fusible ideal para
postergar el conductor 30 como los intervalos en que variacutea las curva del fusible para
proteger al conductor
62
Tabla 10 Seleccioacuten de fusible para los conductores
En la figura 19 se observa la seleccioacuten de los fusibles para proteger a al
conductor de cobre 30 este es 250 E
63
Figura 19 Proteccioacuten de un conductor de cobre 30 por medio de un fusible [11]
33 DETERMINACIOacuteN DE LOS COMPONENTES DEL TABLERO
Se debe recordar que existe un factor que determina nuestras condiciones iniciales de
caacutelculo
64
a Los motores de las bombas ya fueron seleccionados y estaacuten en
funcionamiento por lo tanto los niveles de potencia corriente de
arranque y factor de potencia estaacuten determinados por los datos de dicho
motor
331 Determinacioacuten del arrancador suave
Dado nuestro caso particular las siguientes condiciones seraacuten fundamentales para
escoger nuestro arrancador suave
1 Corriente nominal 115 A
2 Nuacutemero de maniobras (pocas veces al diacutea como maacuteximo 4)
3 Aplicacioacuten sistema de bombeo de agua
Siendo la maacutes importante de la esta caracteriacutesticas la corriente nominal que
emplea el motor Baldor de 115 A y le nivel de potencia a reacutegimen permanente de 100
Hp
El arrancador suave escogido que cumple las condiciones antes mencionadas
es
El arrancador suave de una ldquoMarca Ardquo conocida el cual tiene las siguientes
caracteriacutesticas baacutesicas 130A de corriente nominal conexioacuten trifaacutesica tensioacuten de
funcionamiento 220 Vac a 575 Vac El criterio de seleccioacuten maacutes importante para
caracterizar el arrancador suave en nuestro caso es la corriente de trabajo que corresponde
al motor Baldor de 115 A la altura sobre el nivel del mar que seriacutea otro factor que afecta
la electroacutenica no se toma en cuenta pues el lugar de implementacioacuten no seraacute superior a
1000 metros sobre el nivel del mar
Tambieacuten he de hacer mencioacuten que la empresa Baldor recomienda el siguiente tipo de
arrancador suave (de acuerdo a las caracteriacutesticas del motor en funcionamiento)
65
Figura 20 Muestra de cataacutelogo online de un arrancador suave marca ABB
recomendado por Baldor (julio 2016) [10]
Estos dos ejemplos de arrancadores son con fines didaacutecticos a manera de seleccioacuten
quedaraacute de parte de Metro la adquisicioacuten del mismo mediante licitaciones
332 Determinacioacuten de fusibles ultra raacutepidos
Una vez seleccionado el arrancador suave se determinaraacute el fusible ultra raacutepido
correspondiente a la parte de potencia que protegeraacute el SSW06 (Marca A)
Condiciones de operacioacuten
Arrancador suave de Marca A
Tensioacuten nominal 480V ac en Y
Corriente de nominal 115 A
Corriente de arranque 765 A
Tiempo de aceleracioacuten 30 seg Max
66
Corriente Nominal del Fusible
La corriente nominal del fusible en reacutegimen constante debe ser dimensionada
seguacuten la ecuacioacuten de abajo
Corriente nominal de la carga = IRMS de la carga = 115A
La corriente nominal del fusible debe ser como miacutenimo 20 que la corriente
nominal de la carga por eso la constante A1 es 08
Asiacute 119868119899 =119868119877119872119878119889119890119897119886119888119886119903119892119886
1198601=
115
08= 1435 119860 [ec 25]
Si se considera el reacutegimen de carga constante deberiacutea ser utilizado un fusible
WEG tamantildeo 00 160 A con I2t de 15270 A2s y factor de reduccioacuten 090xIn y 075xIn
cuando esta ensamblado en base individual y seccionadora respectivamente
Pero de cualquier forma esta seleccioacuten por estaacute paraacutemetro es insuficiente pues el
fusible actuaria indebidamente porque ocurren sobrecarga de 765 amperios con el
motor en arranque un periodo de 020 segundos
Anaacutelisis de la Sobrecarga ciacuteclica
Para evitar que el fusible aR WEG Actuacutee de forma indebida durante la corriente
ciacuteclica del arranque de la carga Seguacuten la tabla 11 se usa un factor de correccioacuten 25
para la corriente de sobrecarga en nuestro caso es 1912 A (765x25) a ese valor de
corriente debe fundirse el fusible seguacuten la graacutefica 15 a los 30 segundos en FNH2 aR de
710 A En este caso la maacutexima corriente en reacutegimen continuo que soportara este fusible
es de factor de reduccioacuten 070xIn (497 A) y 055xIn (3905 A) cuando esta ensamblado
en base individual y seccionadora respectivamente ver tabla 11
67
Tabla 11 Muacuteltiplos de la corriente de fusioacuten del fusible aR WEG es mayor que
la corriente de sobrecarga para el mismo tiempo de duracioacuten de la misma
Figura 21 Tiempo de fusioacuten del fusible vs Corriente presumida en FUSIBLES FNH2
aR
68
I2t del Fusible
Este fusible posee el I2t = 378450 (ver tabla 11) en 690 V Como la alimentacioacuten de
potencia es en conexioacuten estrella Y la tensioacuten en el fusible es la tensioacuten de fase y no la
tensioacuten de liacutenea El caacutelculo de la tensioacuten de fusible es la siguiente
119881119891 =119881
radic3=
480
radic3= 27712 119881 [ec28]
Por medio de la Figura 16 es posible evaluar que el I2t del FNH2 710A aR WEG es
reducido con un factor de 48 del valor a 480V resultando 181656 A2s (048 x
378450)
Tabla 12 Caracteriacutesticas teacutecnicas que hace referencia a I2t por modelo de fusible aR
WEG
69
Figura 22 Variacioacuten de I2t Total x Tensioacuten de trabajo
Nota se usoacute en este caso (solo para fines didaacutecticos) un ejemplo de Fusible ultra
raacutepidos marca WEG a manera de ejemplo ya en sus manuales explica paso a paso
como calcular estos elementos de proteccioacuten en espantildeol ingleacutes y portugueacutes
333 Determinacioacuten del contactor
Los contactores se emplean para el mando local o a distancia de cualquier tipo
de maacutequinas eleacutectricas se utilizan en los sistemas de mando en que la potencia de
acoplamiento y la frecuencia de las maniobras son muy exigentes Ademaacutes resulta
indispensable en la automatizacioacuten para el mando de las secuencias de trabajo estaacuten
clasificados seguacuten el tipo de carga y la corriente que desconectan y conectan En la
tabla 2 se muestra la clasificacioacuten por categoriacuteas de trabajo
70
Como se trata de un motor para equipo de bombeo es suficiente que el rotor sea
de jaula de ardilla ya que se dispone de un par de arranque lo suficientemente elevado
y un mantenimiento muy bajo En aplicaciones parecidas a la del caso en estudio se
arrancaraacute la unidad con seis veces la corriente nominal (765A) y se parara justamente
cuando la corriente alcance el valor nominal siendo eacutesta forma de trabajo idealizada
para el contactor Esto se ubica en la categoriacutea de trabajo AC-3 de la tabla 2 como se
veraacute maacutes delante con cuatro millones de operaciones de vida uacutetil
De todas maneras siempre ocurren paradas inesperadas en pequentildeo porcentaje
claro estaacute que en algunos arranques el motor antes de alcanzar la velocidad nominal
es obligado a apagarse Esto no es deseable pero en la praacutectica ocurre y el motor una
vez arrancado es apagado inmediatamente cortando la corriente de arranque Esto
obliga colocar una parte del trabajo del contactor como AC-4 considerando que en
toda su vida uacutetil la contribucioacuten puede llegar a ser de un 10
Como el consumo del motor es de 115 A para la carga nominal el contactor lo
se puede determinar con capacidad mayor o igual a esa corriente Se tomoacute como
referencia uno de tantos fabricantes en el mundo con representacioacuten en Venezuela por
ejemplo Marca A Se selecciona el contactor con capacidad igual o inmediatamente
superior a 115A el CWM150-22-30-E10 junto con el releacute de sobrecarga recomendado
por la empresa RW317-1D
334 Determinacioacuten del releacute de proteccioacuten teacutermica
Los releacutes teacutermicos son aptos para proteger el motor contra pequentildeas sobrecargas
de cierta duracioacuten como las producidas por encima de la corriente nominal y por
debajo de la corriente del rotor bloqueado Ejemplo de ello se encuentra cuando se ha
excedido el desgaste de rodamiento lo que exige un ligero pero peligroso aumento de
la corriente por encima de la nominal por un tiempo prolongado
71
El releacute de proteccioacuten teacutermica se elige del mismo fabricante Marca A para la
capacidad de carga completa de 115 A La graacutefica de la figura 23 muestra la curva de
disparo del releacute teacutermico modelo RW317-1D es inversamente proporcional a la
corriente que por eacutel circula Tiene un rango ajustable que va de 100A hasta los 215A
compensado contra las variaciones de la temperatura ambiente y sensitiva a la perdida
de fase se ajusta a la corriente full carga Otros detalles ver anexos 5 y 6
Figura 23 Curva del releacute de proteccioacuten
teacutermica de la serie RW317-1D Marca A
con rango de ajuste de 100 ndash 215 A
335 El breaker o interruptor automaacutetico
En nuestro caso los motores son de 100 hp en 480V con una corriente nominal
de 115 A y como se desprende de la figura 5 su corriente de rotor bloqueado es 7245
A ver Ec16 Esta es la corriente que consumiraacute el motor cada vez que arranque y el
breaker no debe dispararse en ese caso Como en la mayoriacutea de los casos se supondraacute
72
que los fabricantes de bombas no suministran las curvas de Par vs Corriente para su
caacutelculo y que el tiempo de arranque con carga tomando el caso praacutectico en el sitio
es aproximadamente 3 segundos sin tomar en cuenta el uso de un arrancador suave
Dado que la tensioacuten estaacute en el nivel de tensioacuten baja se utilizaraacute un interruptor
termo magneacutetico y para su ajuste se toma el 150 de ajuste de la corriente nominal del
motor Por lo tanto la proteccioacuten es
115 times 15 = 1725 119860 [ec 39]
Su valor comercial es de 150 A ldquoMarca Crdquo y la curva de interruptor
termomagneacutetico se muestra en la figura 23
El interruptor ldquoMarca Crdquo estaacute disentildeado para las protecciones de motores con
base al principio magneacutetico tiene un ajuste que permite seleccionar la curva de disparo
permitiendo asiacute adaptarse a las necesidades de cada instalacioacuten Estaacute provisto de
sensores de corriente en cada polo garantizando de esta manera una efectiva
proteccioacuten contra cortocircuitos
De todas las unidades de disparo disponible para este interruptor 3 7 30 60
100 y 150 amperios la que mejor se adaptoacute a nuestras condiciones de trabajo fue la de
150A Ya que colocando el ajuste en la posicioacuten 6 se fija la curva de disparo
instantaacuteneo para 1528A la cual presentaraacute el disparo entre un valor miacutenimo de 1105
A ambos por encima de la corriente de rotor bloqueado 7245 A basado en la Ec16
La figura 24 muestra la graacutefica del interruptor con todas sus opciones
Con el fin de representar en una misma graacutefica las diferentes curvas
involucradas en el anaacutelisis se va a recopilar toda la informacioacuten normalizaacutendola en una
misma escala facilitando de esta manera la representacioacuten En la tabla 12 se muestran
los valores de corriente y tiempo tomados del modelo representado en la figura 5 en la
tabla 13 los valores de corriente del releacute teacutermico como una funcioacuten de tiempo
expresado en segundos y la tabla 14 la corriente de cada unidad electroacutenica para el
interruptor Mag-Breaker y el disparo instantaacuteneo seguacuten la posicioacuten de ajuste
73
seleccionado En este caso teacutengase en cuenta que solo estaacute disponible unidades
electroacutenicas (rating plug) que coincide con la capacidad de la caja (frame)
Tabla 13 Valores de corriente y tiempo calculados de la curva de
corriente que se muestra en la figura 5
Porcentaje de la
velocidad nominal
en Rpm
Tiempo en
segundos (s)
Corriente en
amperios (A)
Factor de escala
150
33=5874 t=01 7245 483
20=356 t=06 68082 452
40=712 t=12 62865 42
60=1068 t=18 54117 317
80=1424 t=24 41024 273
100=1780 t=30 1150 08
Tabla 14 Datos tomados de la curva del releacute de proteccioacuten teacutermica para
llevarlos junto con la curva de interruptor Mag-Break
Setting
(ajuste)
Amperio (A) Factor de
Escala 150
Tiempo
miacutenimo (s)
Tiempo
maacuteximo (s)
12 138 09 180 900
15 1725 12 60 120
2 230 15 33 54
3 345 23 15 24
4 460 31 9 15
5 575 38 7 10
6 690 46 42 6
7 805 54 4 58
8 920 61 37 52
74
Tabla 15 Capacidad de corrientes de breakers y Mag-break protector de
circuito de motor
75
Figura 24 Curva de disparo del breaker Mag-Break 36150 de GE en tap 6
76
Figura 25Curva del releacute teacutermico el breaker y la corriente de arranque
77
En la figura 25 el eje vertical estaacute mostrando la variabilidad del tiempo
mientras que el eje horizontal muacuteltiplos de la corriente de la unidad electroacutenica de
150A Observe la curva de color rojo esta es la que corresponde a la evolucioacuten de la
corriente de arranque del motor Se inicia con 7245A (7245150 = 483) y finaliza a
los 3 segundos en 115A (115150 = 08)
La curva seleccionada del interruptor es la destacada con color negro tiene el
disparo miacutenimo en la vertical que sube por 1181A (1181150 = 79) y el maacuteximo en
1528A (1528150 = 102) lo que corresponde a la posicioacuten 6 como se puede observar
no toca la trayectoria que sigue la corriente de arranque La curva en azul corresponde
a la caracteriacutestica de disparo del releacute de proteccioacuten teacutermica provee proteccioacuten contra
sobrecarga sostenidas (largo tiempo) y bloqueo o atascamiento del eje del motor
78
Figura 25 Representacioacuten total de las curvas perfil de corriente de motor dantildeo
de motor y dantildeo de conductor entre otras
336 Determinacioacuten del interruptor magneacutetico teacutermico de control
El magneto teacutermico de control es un interruptor termomagneacutetico de reducido
tamantildeo especialmente disentildeado para la proteccioacuten contra cortocircuitos y sobrecargas
en instalaciones eleacutectricas de bajo consumo debido a esto son particularmente uacutetiles
en los circuitos de mando y control de los tableros eleacutectricos
001
01
1
10
100
1000
1 10 100 1000 10000 100000
t (s
)
I (A)
Curvas Varias
Perfil In (corriente nominal)
Perfil Irb (corriente rotorbloqueado)
Perfil Im (corriente demagnetizacioacuten)
Cambio de perfil
Cambio de perfil
Curva de dantildeo teacutermico delmotor (Teoacuterica)
Curva deTiempo minimo determomagneacutetico
curva de Tiempo maacuteximo determomagneacutetico
Interruptor automaacutetico (bajo)
Interuptor automaacutetico (alto)
Curva de dantildeo del conductor30 de cobre
79
Para determinar el interruptor magneto teacutermico que protege el circuito de
control es necesario tener el consumo aproximado de todos los componentes del
circuito para el peor caso Asiacute se pude entonces hacer la siguiente lista en forma
aproximada de acuerdo a la contribucioacuten de cada componente
Tabla 16 Consumo de los componentes del sistema de control por maacutequina
Cantidad Dispositivo Consumo (A)
3 Bobinas de contactor
CWM150
520 A cuando las bobinas
entran tiempo maacuteximo
1 Laacutempara de marcha de 22mm
Color verde bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color rojo bombillo neoacuten
12mA
1 Laacutempara de parada de 22mm
Color incoloro bombillo neoacuten
12mA
1 Selectores M-O-A 12mA
1 Arrancador suave 300 mA
1 Releacute Falla de fase 30 mA
Total de consumo 5578 A
Tal como se observa en la tabla 15 el consumo permanente no llega 400mA sin
embargo se eleva en forma apreciable cuando entran las bobinas de los contactores
simultaacuteneamente Este transitorio tiene una duracioacuten maacutexima de 35ms o sea 0035s
con el pico de 520A Lo que en total pone el consumo en el peor caso en 5578 A
Observando la graacutefica mostrada en la figura 26 el interruptor que mejor se ajusta con
estos datos calculados es el que corresponde a 6A de capacidad nominal Fiacutejese que la
curva que corresponde a la caracteriacutestica B tiene maacutes cerca el pico de consumo 5578A
(lt6A) pero no llega a tocarlo pues su duracioacuten es de muy corto tiempo Como en el
80
circuito de control interviene un dispositivo trifaacutesico el releacute de falla de fase se toma el
interruptor de 3x6A con la caracteriacutestica de disparo en B
81
Figura 26 Curva de disparo para interruptores magneto teacutermicos serie E90 de
Maresa
82
337 Transformador de control
Para la parte de control se hace necesaria la instalacioacuten de un transformador
de control este se escoge pensando en las siguientes variables potencia de consumo
voltaje que transformaraacute y tipo de encapsulado Pensado en una solucioacuten comercial se
escoge al fabricante Jefferson Electric y uno de los representantes de ventas en
Venezuela Energy Tech CA y se escoge el siguiente transformador
Potencia aparente 350 VA
Relacioacuten de transformacioacuten doble 480240 V lado primario a 120240
V lado secundario
Modelo CAT 631-1810-001 este modelo posee la ventaja de tener un
fusible de proteccioacuten en el lado secundario por eso termina en 001
Figura 27 Diagrama de conexiones de transformador de control
83
34 DETERMINCACIOacuteN DE LOS COMPONENTES EXTERNOS AL
TABLERO DE CONTROL Y POTENCIA
341 Determinacioacuten del flujoacutestato (sensor de flujo)
Para ofrecer una mayor seguridad a la parte mecaacutenica de la bomba y alargar la
vida uacutetil de las empacaduras se hace necesario la instalacioacuten de un sensor de flujo este
seraacute la primera liacutenea de proteccioacuten en caso que la bomba funcione en vaciacuteo es alliacute
donde el sensor detectara la ausencia de flujo y desconectaraacute el motor eleacutectrico que
acciona la bomba
El fabricante escogido es Johnson Control quien tiene representaciones en
Venezuela a traveacutes de la empresa Pi-productos Industriales SA -5C fabricado en acero
inoxidable Se escoge este material porque posee propiedades fiacutesicas que lo hacen
resistente al agua clorada alta dureza y con la bondad del acero que ofrece mayor
resistencia mecaacutenica a impactos Este modelo posee encapsulamiento NEMA 3 para
recintos de aplicaciones en interiores o al aire libre en ambientes alta humedad Se
utiliza estos modelos en aplicaciones con tuberiacuteas que transportan liacutequidos a
temperaturas del punto de rociacuteo o por debajo de 32 deg F (0 deg C) pero por encima de -20
deg F (-29 deg C) En la figura 28 se muestra la variacioacuten de presioacuten en funcioacuten del caudal
84
Figura 28 Caiacuteda de presioacuten en comparacioacuten con el caudal F61series
85
CAPIacuteTULO IV
4 RESULTADOS
41 DESCRIPCIOacuteN DEL SISTEMA ORIGINAL DEL TABLERO
En la proacutexima tabla 17 se muestran los elementos originales del disentildeo de la
gaveta de la control de la bomba de condensado de agua del Metro y en el anexo 10 y
11 se muestran los diagramas unifilares de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3
respectivamente
Cantidad Descripcioacuten Tipo (modelo)
1 Interruptor termo-
magneacutetico
GE-CAT TFk236f000 600 V 150 A
2 Fusibles 2 A 600 V Icc=100kA
1 Fusible 25 A 260 V Icc= 200KA
1 Proteccioacuten de sobrecarga Siemens-Tipo 3UA4300-SAP o Similar
Ajustable 55-80ordf
1 Contactor principal
GE-CAT CH206E0 o similar bobina de
120Vac-60Hz NEMA 3 Contactos AUX
3NA+2NC (CRP 2)
GE-CAT CR206F00 o similar Bobina
120Vac- 60Hz contactos 3NA +2NC
1 Releacute de control
GE-CAT CR120801122 o similar
bobina 120 Vac -60Hz Contactos 1NA +
1NC
1 Releacute de control GE-CAT CR12080 2022 o similar
bobina 120 Vac-60Hz Contactos 2NA
1 Selector manual o remoto GE-CAT CR2840U201 o similar 3
posiciones 1 polo
86
Tabla 17 Lista de elementos originales del tablero de control de las bombas de
condensado de agua
2 Pulsadores (starstop ) GE-CAT CR2840U301 o similar
contactos 1NA +1NC
3 Luces de Indicacioacuten Base GE-CAT CR2840 o similar
Bombillo 125 Vac 6W
1 Transformador de control 480V120 300VA Tipo seco
Figura 29 Tablero de control de bomba de condensado de agua en Planta de
Refrigeracioacuten 1 Metro de Caracas
87
42 ESQUEMA FINAL DEL TABLERO ELEacuteCTRICO
En la figura 30 se muestra el diagrama de potencia de la gaveta para la bomba de
condensado de agua Seguidamente se describen los elementos totales que contendraacute
la gaveta
Cantidad Descripcioacuten Tipo (Modelo)
1 Interruptor General Electric de la
serie Spectra RMS Mag-
Break con frame 150 y
unidad electroacutenica de 150
A Icc= 100kA
1 Contactor WEG modelo
CWM150-22-30-E10
bobina de 110V AC
150A AC3
1 Releacute teacutermico Marca WEG RW317-1D
3-U150 con rango de
ajuste de 100 ndash 215 A
1 Breaker magneto teacutermico de control 3x6A marca AEG de
Maresa serie E90
1 Transformador de control Marca Jefferson Electric
CAT 631-1810-001
relacioacuten de transformacioacuten
480240 a 120240 V
1 Arrancador suave Marca WEB modelo
SSW060130T2257SS----Z
3 Fusibles ultra raacutepidos FNH2 710A aR WEG
1 Selector Manual-Cero-Automaacutetico Marca Telergoacuten modelo
T -400
3 Luces de indicacioacuten marca WEG
88
Tabla 18 Lista de elementos seleccionado para el nuevo tablero de control de las
bombas de condensado de agua
CJ SD1 110Vca
Laacutempara led color rojo
CJ SD2 110Vca
Laacutempara led color verde
CJ SD0 110Vca
Laacutempara de color led
incolor
2 Pulsadores de marcha StartStop marca WEG
CJBD11001 Color
Rojo Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(STOP)
CJBD21001 Color
Verde Botoacuten doble
contactos 1NA+1NC
(START)
Haciendo un anaacutelisis de los puntos 41y 42 baacutesicamente ambos tableros presentan los
mismos elementos y caracteriacutesticas similares pero el valor agregado radica en dos
componentes que no existiacutean para la eacutepoca en que inicio operaciones el Metro de
Caracas estos son El arrancador suave y Los fusibles ultra raacutepidos
Cuyas ventajas ya fueron mencionadas con anterioridad
Los elementos mostrados en la figura 29 forman parte de uno de los tableros de control
de una bomba de agua de condensacioacuten este no tiene los elementos originales
presentados en la tabla 17
Nota A manera de ejemplo y para poder comparar se seleccionaron marcas especiacuteficas
las cuales podriacutean ser sustituidas por otras que posean las mismas caracteriacutesticas
89
Figura 30 Circuito de potencia de la gaveta para las bombas de agua condensada
usando nomenclatura (norma de simbologiacutea IEC 60617)
Para ver un costo referencial de los elementos del tablero ver anexo 14 recuerden que
estos precios variacutean de acuerdo al iacutendice de inflacioacuten
M
3 ~
Igt
Motor de induccioacuten
trifaacutesico 460V 100Hp
115A
Arrancador Suave
Marca WEG SSW06
Controlado por tiristores
Releacute de sobrecarga
Marca WEG RW317-1D
Rango 100 ndash 215 A
Contactor marca WEG
CWM150-22-30-E10
Interruptor automaacutetico
MAG-BREAK SPECTRA
RMS Solid-state TRp
Alimentacioacuten trifaacutesica
480V
90
CONCLUSIONES
Para la modernizacioacuten de las instalaciones eleacutectricas de las bombas de agua de
condensacioacuten de las plantas de refrigeracioacuten 1 y 3 del Metro de Caracas seguacuten su
normativa interna y complementaacutendose con normas nacionales e internacionales se
deberiacutea realizar un estudio general del sistema general de dichas plantas incluyendo
todos sus componentes y sistemas para realizar una modernizacioacuten total y cabal pero
en este trabajo de grado solo nos dedicamos del sistema de control de las bombas de
condensado de agua de las instalaciones ya indicadas
Se analizoacute los sistemas de enfriamientos de las plantas centrales de refrigeracioacuten 1
y 3 (PR1 y PR3) del Metro de Caracas desde el punto de vista eleacutectrico determinado
sus caracteriacutesticas principales y las condiciones de operacioacuten de las bombas de agua de
condensacioacuten Como resultado de la recopilacioacuten de informacioacuten y posterior proceso
de caacutelculo de la propuesta que se presenta se escoge el uso de un arrancador suave
Dicho arrancador tiene grandes ventajas en este caso como mencionaremos
nuevamente las cuales son incrementar de la vida uacutetil de las piezas mecaacutenicas de la
bomba asiacute como sus tuberiacuteas al disminuir el golpe de ariete la disminucioacuten de la
interaccioacuten humana si se aplica la automatizacioacuten de bombas en este sistema el ahorro
energeacutetico y econoacutemico asiacute como en capital humano para la empresa al no requerir
supervisioacuten constante o personal de forma presencial o dedicada en el sitio
Realizado el diagnoacutestico del estado fiacutesico de equipos y sistemas eleacutectricos de
las plantas centrales de refrigeracioacuten se pudo observar que se requiere corregir la forma
de arrando de las motobombas automatizar los procesos de los sistemas de
refrigeracioacuten revisioacuten de los tableros de los Centros de Control de Motores (CCM) ya
que se encuentran funcionando de manera inadecuada revisar el sistema de tuberiacuteas
para eliminar las fugas de agua de cualquier dimensioacuten que existan
91
La elaboracioacuten de las especificaciones requeridas para el proyecto seguacuten la
normativa de la CA Metro de Caracas complementaacutendose con otros estaacutendares
nacionales e internacionales se llevo a cabo cuando se determinaron todos los equipos
eleacutectricos tal como se muestra en el cuerpo de este trabajo de grado para el disentildeo de
un tablero de control y potencia de 100 Hp para una bomba de condensado de agua
cada uno de estos elementos son ubicables en el mercado interno del paiacutes Asiacute como
los componentes se describen asentando sus especificaciones para ayudar a determinar
un componente igual o equivalente en cualquier otra marca en caso de otra seleccioacuten
o de agotarse la existencia dentro del paiacutes
Se hace mencioacuten que las referencias usadas el fabricante de motores eleacutectricos
Baldor en sus manuales y cataacutelogos no suministra una curva clara de Par en funcioacuten
del tiempo pero si da los datos de inercia del rotor por lo cual se logroacute determinar una
proteccioacuten adecuada calculado el tiempo de arranque en vaciacuteo (en forma teoacuterica) y el
tiempo de arranque con carga (de forma praacutectica) partiendo de que el pico maacuteximo
ocurre entre los primeros 5 a 8 ciclos del voltaje aplicado y que su comportamiento
sigue la evolucioacuten de la corriente de arranque que se presenta en la graacutefica que muestra
la figura 5 y se asume que la aceleracioacuten de velocidad es constante durante dicho
periodo Con estos datos iniciales maacutes los datos de placa del motor se pudieron calcular
el perfil de corriente del motor para hacer la seleccioacuten determinacioacuten y ajuste de las
protecciones requeridas
Mediante esta formulacioacuten teoacuterica se obtuvo la proteccioacuten completa contra
sobrecargas y cortocircuitos se determinoacute la proteccioacuten combinada el termo
magneacutetico contactor y fusibles ultra raacutepidos necesarios y adecuados para garantizar la
proteccioacuten eleacutectrica del motor y asegurar la proteccioacuten electroacutenica del arrancador
suave
92
Se establece una configuracioacuten que mejoraraacute la funcionalidad del tablero de control del
sistema de bombas de condensacioacuten para ello se escogioacute un arrancador suave como
medio de inicio del motor baacutesicamente por tres razones ahorro energeacutetico durante el
arranque proteccioacuten contra ldquoel golpe de arieterdquo en las partes internas de la bomba asiacute
como en sus correspondientes tuberiacuteas y abre la posibilidad a la automatizacioacuten del
sistema en un futuro mediante una plataforma NetworkTCP
Todas estas ventajas representan un salto tecnoloacutegico que no poseiacutea el sistema
original y significa una mejora positiva en el disentildeo ahorro de dinero en la empresa
relativo a disminucioacuten de gasto energeacutetico incremento de fiabilidad y disminucioacuten en
las jornadas de mantenimiento
La instalacioacuten de un arrancador suave se pensoacute para que fuese flexible pues
muchos de sus paraacutemetros se pueden ajustar al momento de puesta en marcha del
equipo Resultando muy conveniente por ejemplo en las temporizaciones de entrada
y salida pues dispone de teclado y pantalla LCD
Se realiza este proyecto con el nuevo sistema eleacutectrico seguacuten las
especificaciones elaboradas dando asiacute respuesta las necesidades actuales de
funcionamiento control y automatismo para adecuar el funcionamiento de las bombas
de condensado de agua en un rango aceptable a su uso permitiendo extender su vida
uacutetil
Dada la situacioacuten actual del paiacutes la implementacioacuten de la modernizacioacuten del
sistema de climatizacioacuten no es una prioridad en la compantildeiacutea Metro de Caracas por lo
cual esta implementacioacuten podriacutea retrasarse pero la propuesta que se llegoacute en este
trabajo a la larga dariacutea ahorros significativos en la empresa en costo de mantenimiento
de las tuberiacuteas ya que las actuales tienen 40 antildeos de funcionamiento
93
Para el momento de presentacioacuten de esta tesis las plantas de refrigeracioacuten 1 2
y 3 no estaacuten operativas entre los factores que han motivado el paro de funcionamiento
de estas plantas estaacuten
1- Fallas en los tiristores de los chiller (causas actualmente en evaluacioacuten)
2- En caso de la planta PR1 sufrioacute desvalijamiento o robo por parte de
presuntos indigentes
Debido a esta situacioacuten actualmente para julio de 2016 maacutes de 50 de las
estaciones de Liacutenea 1 no tiene climatizacioacuten operativa Para comprenderlo se debe
saber que las estaciones de Metro de Caracas pertenecientes a la Liacutenea 1 que opera
desde Propatria a Palo Verde cuenta con un total de 22 estaciones
Las Plantas de Refrigeracioacuten 1 2 y 3 dan soporte a 14 de estas estaciones las
cuales estaacuten inoperantes en su sistema de climatizacioacuten ello influye en la calidad de
servicio para el puacuteblico en general pero tambieacuten afecta a todos los equipamientos y
materiales de Metro que son sensibles a temperaturas elevadas disminuyendo asiacute su
calidad yo vida uacutetil Un ejemplo de ello podriacutea ser el deterioro constante y en aumento
de equipos eleacutectricos mecaacutenicos y electroacutenicos como las empacaduras gomas
correas piezas de computacioacuten torniquetes y en general todo aquel equipo que requiere
una temperatura estable para su adecuado funcionamiento u oacuteptima duracioacuten en el
tiempo
Por ello este trabajo de grado muestra un camino para la resolucioacuten de uno de
los problemas que afectan de manera importante a Metro de Caracas y que podriacutea
redundar en ahorro a corto mediano y largo plazo al evitar dantildeos mayores o gastos a
destiempo que puede generar esta situacioacuten en el presente y futuro de sus instalaciones
94
RECOMENDACIONES
Una forma de ver maacutes claramente las bondades que ofrece este tipo de
modernizacioacuten es llevarlo a la fase de construccioacuten instalacioacuten y puesta en marcha
En la etapa de construccioacuten se verificaraacute lo comercial que es esta solucioacuten pues
las piezas que conforman este disentildeo estaacuten disponibles a traveacutes de distinto fabricantes
con representantes nacionales e internacionales que radican en Venezuela
La instalacioacuten deberaacute ser parecida a los equipos que acostumbra a manejar el
personal de aacuterea de protecciones del Metro ya que cuenta con componentes similares
Es recomendable reutilizar las gavetas del centro de control de motores (CCM)
para aprovechar los recursos existentes que auacuten son utilitarios y se encuentran en buen
estado en caso contrario que se requiera su cambio se recomienda contactar empresas
que ofertan equipos como los requeridos Ejemplo en el anexo 12 se especifican acerca
de los gabinetes para el CCM
Como directriz finales se recomienda instalar en los motores un termostato cuya
sentildeal de control deberaacute ser conectadas en el arrancador suave y asiacute se aprovecharaacute en
forma completa la proteccioacuten teacutermica que este presenta tambieacuten seria uacutetil instalar unos
fusibles ultra raacutepidos en la entrada de corrientes del arrancador con el fin de dar mayor
proteccioacuten a los tiristores
95
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