Sistemas de Control y Motores Electricos Cap 1-4

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Seguridad en el Trabajo

Objetivos del Capítulo

Este capítulo te ayudara:

1. Identificar los factores eléctricos que determinan la gravedad de una descar-ga eléctrica.

2. Sea consciente de los principios gen-erales de seguridad eléctrica, incluyendo el uso de ropa de protección aprobado y utilizando equipo de protección.

3. Explicar el aspecto de la seguridad de una instalación de puesta a tierra del mo-tor eléctrico.

4. Describir los pasos básicos en un procedimiento de bloqueo.

5. Tenga en cuenta las funciones de los diferentes organismos encargados de los códigos y normas eléctricas.

La seguridad es la prioridad número uno en cualquier trabajo. Cada año, los accidentes eléctri-cos causan lesiones graves o la muerte. Muchas de estas víctimas son jóvenes que acaban de entrar al lugar de trabajo. Ellos están involucrados en acci-dentes que resultan de negligencia, de las presiones y distracciones de un nuevo trabajo, o de una falta de comprensión acerca de la electricidad. Este capítulo está diseñado para estimular la conciencia de los peligros asociados a la energía eléctrica y los peligros potenciales que pueden existir en el trabajo o en un centro de formación.

PARTE 1 Proteción contra choque eléctrico

Descarga Eléctrica

El cuerpo humano conduce electricidad. Incluso las corrientes bajas pueden causar efectos graves para la salud. Espasmos, quemaduras, parálisis muscular, o la muerte, dependiendo de la canti-dad de la corriente que fluye a través del cuerpo, la ruta que se necesita , y la duración de la exposición.

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2 Chapter 1 Safety in the Workplace

La tensión no es tan fiable una indicación de la intensidad de choque debido a la resistencia del cuerpo varía tan ampliamente que es im-posible predecir la cantidad de corriente resultado de una tensión dada. La cantidad de corriente que pasa a través del cuerpo y la longitud del tiempo de exposición son, quizás, los dos criterios más fiables de la intensidad de choque . Una vez que la corriente entra en el cuerpo se sigue a través del sistema circulatorio con dirección a la piel. La figura 1-1 ilustra la magnitud relativa y el efecto de la corriente eléctrica . No se necesita mucha corriente para causar una descarga eléctrica dolorosa o incluso mortal . Una corriente de 1 mA ( 1/1000 de un amper ) se puede sentir . Una corriente de 10 mA producirá un choque de intensidad suficiente para evitar el control voluntario de los músculos, lo que explica por qué, en algunos casos, la víctima de un choque eléctrico no es capaz de liberar la presión en el conductor, mientras que la corriente está fluyendo. Una corriente de 100 mA que pasa a través del cuerpo por un segundo o más, puede ser fatal. En general, cualquier flujo de corriente por encima de 0.005 A, o 5 mA , se considera peligroso .Una linterna de 1,5 V puede entregar corriente suficiente para matar a un ser humano, sin embargo, es seguro de manejar . Esto se debe a que la resistencia de la piel humana es lo suficientemente alta para limitar en gran medida el flujo de corriente eléctrica . En los circuitos de bajo voltaje , resistencia restringe el flujo de corriente a valores muy bajos . Por lo tanto , hay poco peligro de una descarga eléctrica. Por otro lado, altos voltajes , pueden obligar a la corriente fluir , hacía la piel para producir un shock. El peligro de una descarga au-menta a medida que aumenta la tensión .El camino a través del cuerpo es otro factor que influye en el efecto de una descarga eléctrica . Por ejemplo , una corriente de mano a pie, que pasa a través del corazón y la parte del sistema nervioso central , es mucho más peligrosa que un choque entre dos puntos en el mismo brazo ( Figura 1-2 ) .La CA ( corriente alterna ) de frecuencia de 60 Hz de tres a cinco veces más peligrosa que la DC (corriente continua ) de la misma ten-sión y el valor actual. DC tiende a causar una contracción convulsiva de los músculos , a menudo aventando a la víctima lejos de la exposi-ción. Los efectos de la AC en el cuerpo dependen en gran medida de la frecuencia : corrientes de baja frecuencia ( 50-60 Hz ) suelen ser más peligrosas que las corrientes de alta frecuencia . La AC provoca espasmos musculares , a menudo “congelar” la mano (la parte más común del cuerpo en hacer contacto ) al circuito. El puño aprieta alrededor de la fuente de corriente , dando lugar a una exposición prolongada con quemaduras graves.

El factor principal para determinar la gravedad de una descarga eléctrica es la cantidad de corriente eléctrica que pasa a través del cuerpo . Esta corriente depende de la tensión y la resistencia de la trayectoria se sigue a través del cuerpo .

La resistencia eléctrica ( R ) es la oposición al flujo de cor-riente en un circuito y se mide en ohms ( Ω ) . Cuanto menor es la resistencia del cuerpo, mayor será el flujo de corriente y el potencial peligro de descarga eléctrica . La resistencia del cuer-po se puede dividir en externa (resistencia de la piel) e interna (los tejidos del cuerpo y la resistencia a corriente de la sangre).

La piel seca es un buen aislante , la humedad disminuye la resistencia de la piel , lo que explica que la intensidad de choque es mayor cuando las manos están mojadas. La resistencia interna es baja debido a la sal y al contenido de humedad de la sangre . Hay un amplio grado de variación en la resistencia del cuerpo . Un choque que puede ser fatal para una persona puede causar sólo una breve molestia a otra.

Los valores típicos de resistencia del cuerpo son :

• Piel seca —100,000 to 600,000 Ω

• Piel húmeda —1,000 Ω

• Parte interna (mano a pie)—400 to 600 Ω

• Oreja a oreja—100 Ω

Piel delgada y húmeda es mucho menos resistente que la piel gruesa o seca. Cuando resistencia de la piel es baja , la corri-ente puede causar poco o ningún daño a la piel , pero quemar gravemente los órganos y tejidos internos. A la inversa , de alta resistencia de la piel puede producir quemaduras graves en la piel , pero evitar que la corriente que entra en el cuerpo .

Voltaje ( E ) es la presión que causa el flujo de corriente eléctrica en un circuito y se mide en volts (V ) . La cantidad de tensión que es peligrosa para la vida varía con cada individuo debido a las diferencias en la resistencia del cuerpo y enfermedades del corazón . En general, cualquier voltaje por encima de 30 V se considera peligroso.

La corriente eléctrica ( I) es la tasa de flujo de electrones en un circuito y se mide en ampers (A ) o miliampers ( mA ) . Un miliamper es la milésima parte de un amper . La cantidad de corriente que fluye a través del cuerpo de una persona depende de la tensión y la resistencia . Actual corporal se puede calcular usando la ley de la fórmula siguiente Ohm :

Corriente = Voltaje / Resistencia

Si usted entró en contacto directo con 120 voltios y la resisten-cia del cuerpo era de 100.000, entonces la corriente que fluiría sería:

I = (120 V) / (100,000 Ω)= 1.2 mA


PART 1 Protecting against Electrical Shock 3

La lesión eléctrica más común relacionada con una que-madura. Los principales tipos de quemaduras:

• Las quemaduras eléctricas, que son un resultado de la corriente eléctrica que fluye a través de los tejidos o huesos. La quemadura en sí puede ser sólo en la su-perficie de la piel o de las capas más profundas de la piel puede verse afectada.

• Quemaduras por arco, son el resultado de una temperatura extremadamente alta, causada por un arco eléctrico (tan alto como 35,000 ° F) en estrecha proximidad con el cuerpo. Los arcos eléctricos pueden producirse como resultado de un con-tacto eléctrico deficiente o aislamiento fallado.• Quemaduras de contacto térmico, que son un resultado de la piel que entra en contacto con las superficies calientes de los componentes sobrecalentados. Pueden ser causadas por el contacto con objetos dispersos como resultado de la explosión asociado con un arco eléctrico.

Si una persona sufre un shock, es importante liberar a la víctima tan pronto como sea posible sin daño. No toque a la persona hasta que la energía eléctrica esté apagada. Usted no puede convertirse en una segunda víctima. La víctima debe ser atendida de inmediato por una persona entrenada en RCP (reanimación cardiopulmonar).

900

300

200

10090

50

30

20

10

5

2

1

0(mA)

Menos de un miliamper pueden causar la muerte!

1 ampere (1000 milliamperes)

Lámpara de 100 W

Quemaduras severas - paro resíratorio

El corazón deja de latir

Cepillo de dientes eléctrico (10 watts)

Dificultad para res-pirar- Sofocación

Shock severo

Contracciones mus-culares- dificultad para respirarImposible solltarse

Shock doloroso

Ajuste para interruptores de falla

Choque leve

Umbral de sensación

(1 milliampere = 1/1000of an ampere)

Figure 1-1 Magnitudes relativas y efecto de la corriente eléctrica en el cuerpo

Head to foot Hand to handHand toopposite foot

Figure 1-2 Typical electric current pathways that stop normal pumping of the heart.



4. Quítese todas las joyas de metal para trabajar en circuitos energizados, el oro y la plata son excelentes conductores de la electricidad.5. Pelo largo Encierre o mantener el cabello recortado al trabajar cerca de maquinaria.

Una amplia variedad de equipos de seguridad eléctrica está disponible para evitar lesiones por la exposición a circuitos eléctricos (Figura 1-5). Los electricistas deben estar famil-iarizados con las normas de seguridad, tales como NFP-70E que se refieren al tipo de equipo de protección requerido, así como la forma deberá ser atendido estos equipos para. Para que los equipos de protección eléctrica que efectúa de hecho tal como fue diseñado, debe ser inspeccionado por daños antes de su uso cada día e inmediatamente después de cualquier incidente que pueda razonablemente sospechoso de haber causado daños. Todos los equipos de protección eléctrica debe aparecer y puede incluir lo siguiente:

Equipos de protección. Guantes de caucho de goma se utilizan para evitar que la piel entre en contacto con cir-cuitos energizados. Una cubierta de cuero externa indepen-diente se utiliza para proteger el guante de goma de pincha-zos y otros daños. Mantas de goma se utilizan para evitar el contacto con conductores energizados o partes de circuitos cuando trabaje cerca de circuitos energizados expuestos. Todos los equipos de protección de goma debe estar marcado con el voltaje adecuado y la última fecha de la inspección. Es importante que el valor de aislamiento de ambos guantes de goma y mantas tiene una tensión nominal que coincide con la del circuito o equipo que se van a utilizar con. Guantes aislantes deben tener una prueba de aire, junto con la in-spección .

Equipo de protección personal Lugares de trabajo: construcción y fabricación, por naturaleza, son lugares potencialmente peligrosos. Por esta razón, la se-guridad se ha convertido en un factor cada vez más importante en el entorno de trabajo. La industria eléctrica, en particular, se refiere a la seguridad de ser, sin duda, la mas importante prioridad debido a la naturaleza peligrosa de la empresa. Una operación segura depende en gran medida de todo el personal que son informados y conscientes de los peligros potenciales. Las señales de seguridad y etiquetas indican áreas o tareas que pueden suponer un peligro para el personal y / o equipos. Señales y etiquetas de advertencia pueden proveer peligro específico, o pueden dar instrucciones de seguridad (Figura 1-3).

Para realizar un trabajo de manera seguro, se debe utilizar la ropa de protección adecuada. Vestimenta apropiada se debe usar para cada sitio de trabajo y la actividad laboral (Figura 1-4). Los siguientes puntos deben ser observados:

1. Los cascos, zapatos de seguridad, gafas deben ser usados en áreas donde se especifican. Además, los cascos deben ser aprobados por el propósito del trabajo eléctrico que se realiza. Sombreros de metal no son aceptables!

2. Orejeras o tapones de seguridad deben ser usados en áreas ruidosas.

3. La ropa debe ajustarse bien para evitar el riesgo de enredarse en la maquinaria móvil. Evite el uso de ropa de fi-bras sintéticas como poliéster, ya que estos tipos de materiales pueden derretirse o encenderse cuando se expone a altas tem-peraturas y pueden aumentar la gravedad de una quemadura.

Hard hat

Goggles

Cotton only,no polyester

Tight sleevesand trouser

legs

No rings onfingers

Safety shoe

VENENOHIGH

VOLTAGE

PRECAUCIÓNHEARING

PROTECTIONMUST BE WORN

IN THIS AREA

PELIGROPELIGRO

Figure 1-3 Typical safety signs.

Figure 1-4 Appropriate attire should be worn for each particular job site and work activity. Photo courtesy Capital Safety, www.capitalsafety.com.

Electric arc protection apparel

Low-voltage gloveand protector

Hot switch stick

Grounding sets

Figure 1-5 Electrical safety equipment. Photos: © Lab Safety Supply, Inc. Janesville, WI.


Gerry Cruz

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PART 1 Protecting against Electrical Shock 5

• No cierre ningún interruptor a menos que usted está familiar-izado con el circuito que controla y sabe la razón de estarabierto.

• Al trabajar en cualquier circuito , tome medidas para ase-gurarse de que el interruptor de control no funciona en suausencia. Los Switches deben estar abiertos, y las adverten-cias se deben mostrar ( cierre / rotulación ).

• Evite trabajar en circuitos “en vivo” tanto como sea posible.• Al instalar nueva maquinaria , asegúrese de que el aramazón

este de manera eficiente y permanente aterrizado.• Siempre trate circuitos como “ vivo” hasta que haya compro-

bado que sean “desconectado”, La suposición puede ser la muerte. Es una buena práctica tener una lectura del medidorantes de comenzar a trabajar en un circuito desconectado.

• No toque ningún objeto a tierra mientras se trabaja en equipoeléctrico.

• Recuerde que, incluso con un sistema de control de 120 V, puede tener un voltaje más alto en el panel. Siempre trabajepara que esté libre de cualquier de los voltajes más altos. (Apesar de que se está probando un sistema de 120 V , que sonsin duda muy cerca de 240 V o 480 V de potencia . )

• No introduzca las manos en equipos energizados mientraséste funciona . Esto es particularmente importante en loscircuitos de alta tensión .

• Utilice buenas prácticas de cableado eléctrico incluso para laprueba. A veces puede que tenga que hacer conexionesalternas, pero que sean lo suficientemente seguros para queellos no sean en sí mismos un riesgo eléctrico.

• Cuando se trabaja en el equipo activo que contiene voltajespor encima de los 30 V , trabaje con una sola mano . Man-teniendo una mano fuera del camino reduce en gran medidala posibilidad de pasar una corriente a través del pecho .

• Descargar de forma segura los condensadores antes de ma-nipularlos. Los condensadores conectados en circuitos decontrol de motor en vivo pueden almacenar una carga letaldurante un tiempo considerable después de que el voltaje alos circuitos ha sido desactivado . Si bien el artículo 460 delCódigo Eléctrico Nacional ( NEC ) requiere una descargaautomática en 1 minuto, nunca asumir que la descarga es detrabajo ! Siempre verifique que no hay voltaje presente.

Los espacios confinados se pueden encontrar en casi cualquier lugar de trabajo . La figura 1-6 ilustra ejemplos de espacios confinados típicos . En general , un “espacio confinado “ es un espacio cerrado o parcialmente cerrado que :

• No está diseñado ni pensado para la ocupación humanasobre todo .• Tiene una entrada restringida o de salida a través de laubicación , tamaño, o medios.• Se puede representar un riesgo para la salud y laseguridad de cualquier uno que entra , debido a su diseño ,la construcción , la ubicación, o la atmósfera , los materi-ales o sustancias

Girar el guante alrededor rápidamente o rodar hacia abajopara atrapar el aire en su interior. Apriete la palma , losdedos y el pulgar para detectar cualquier escape de aire .Si el guante no pasa la inspección , debe ser desechado.

Ropa de protección - Equipo especial protector paraaplicaciones de alta tensión incluye mangas de alta ten-sión , botas de alto voltaje , cascos de protección , gafasno conductores no conductor y la cara , mantas armariosde distribución, y los trajes de flash.

Pértiga - Las pértigas son herramientas aisladas diseñadaspara la operación manual de alta tensión, desconectar in-terruptores , eliminación fusible de alto voltaje y de inser-ción , así como la conexión y la eliminación de motivosde carácter temporal en los circuitos de alta tensión. Unapértiga se compone de dos partes, la cabeza o el capó, y lavarilla aislante. La cabeza puede ser de metal o de plásti-co endurecido , mientras que la sección aislante puede serde madera, plástico , u otros materiales aislantes eficaces.

Sondas de cortocircuito - Estas sondas se utilizan en cir-cuitos sin corriente para descargar los condensadores cargadoso cargas estáticas que pueden estar presentes cuando laalimentación al circuito se desconecta . Además, cuandose trabaja en o cerca de los circuitos de alta tensión , lassondas de cortocircuito deben conectarse y fija colocadacomo una precaución de seguridad adicional en el caso decualquier aplicación accidental de voltaje para el circuito.Al instalar una sonda de cortocircuito , conecte primeroel clip de prueba para un buen contacto con el suelo . Acontinuación, mantenga la sonda de cortocircuito por elmango y enganche el extremo de la sonda sobre la piezao el terminal de conexión a tierra. Nunca toque ningunaparte metálica de la sonda mientras cortocircuito a tierracircuitos o componentes.

Careta - Protectores faciales deben ser usados durante todaslas operaciones de conmutación , donde existe la posibil-idad de lesiones en los ojos o la cara de arcos eléctricos odestellos , o de vuelo o la caída de objetos que pueden re-sultar de una explosión eléctrica.

Con las debidas precauciones , no hay ninguna razón para

que usted reciba una seria descarga eléctrica. Recibir unadescarga eléctrica es una clara advertencia de que no se hanseguido las medidas de seguridad adecuadas. Para mantenerun alto nivel de seguridad eléctrica mientras usted trabaja,hay una serie de precauciones que debe seguir. Su trabajoindividual tendrá sus propios requisitos de seguridad úni-cos. Sin embargo , la siguiente se dan como fundamentosesenciales. • Nunca tome un choque a propósito. • Mantenga el material o el equipo por lo menos 10pies de distancia de alta tensión líneas eléctricas aéreas.



Un “espacio confinado con permiso requerido” es un espacio cerrado que tiene riesgos de seguridad asociados de salud es-pecíficas. Espacios confinados que requieren permiso requieren de una evaluación de los procedimientos de conformidad con las normas de la Administración de Salud y Seguridad Ocupa-cional (OSHA) antes de la entrada.

Todos los peligros que se encuentran en un espacio de tra-bajo regular también se pueden encontrar en un espacio confinado. Sin embargo, pueden ser incluso más peligrosos en un espacio confinado que en un lugar de trabajo habitual. Peli-gros en espacios confinados pueden incluir la mala calidad del aire, el peligro de incendio, el ruido, las partes móviles de los equipos, las temperaturas extremas, mala visibilidad, y la falta de barrera que resulta en una inundación o la liberación de un sólido de flujo libre.

Tunnels Wells Manholes

Tanks Culverts Silos

Figure 1-6 Confined spaces. Photo courtesy Capital Safety, www.capitalsafety.com.

1. ¿La gravedad de un aumento o disminución de una descaga eléctrica con cada uno de los siguientes cambios?

a. Una disminución en el voltaje de la fuente b. Un aumento en el flujo de corriente cuerpo c. Un aumento de la resistencia del cuerpo d. Una disminución del tiempo de exposición2. a.Calcular el flujo de corriente cuerpo teórico (en ampers y

miliampers) de una víctima de una descarga eléctrica que entra en contacto con una fuente de energía 120-V. Supongamos una resistencia total de 15.000 Ω (piel, el cuerpo y contactos de tierra).

b. ¿Qué efecto, si las hubiese, la cantidad de corriente es probable que en el cuerpo?

3. Normalmente, una batería de linterna de 6 volts con capacidad de 2 A de corriente se considera seguro para manejar. ¿Por qué?

PART 1 Review Questions

4. ¿Por qué la CA a una frecuencia de 60 Hz es consideradocomo potencialmente más peligrosa que la DC de la mismatensión y el valor actual?

5. Equipo de seguridad eléctrico que debe utilizarse para llevara cabo cada una de las siguientes tareas:a.- Una operación de conmutación, donde hay un riesgo de lesiones en los ojos o la cara de un arco eléctrico.b.- Con un multímetro para comprobar el voltaje de la línea en un3-fase sistema de 480 voltios.c.- La apertura de un accionamiento manual de alto volta-je conectar el interruptor.

6. Describir el procedimiento de seguridad a seguir para conec-tar sondas de puente entre los circuitos sin corriente.

7. Enumere tres piezas de equipo de protección personal que serequiere ser usados en la mayoría de los sitios de trabajo.

PART 2 Tiiierra—Bllloooqqqueooo —Cooodddiiigggooosss

Puesssta a tiiierra yyy cooonexxxiiión Las prácticas apropiadas de conexión a tierra protegen a las personas contra los riesgos de electrocución

Asegurar el correcto funcionamiento de los dispositivos de protección contra sobrecorriente. Se requiere conexión a tierra intencional para el funcionamiento seguro de los sistemas y equipos eléctricos. Tierra no intencional o accidental se considera un fallo en los sistemas de cableado eléctrico o circuitos.


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PART 2 Grounding—Lockout—Codes 7

Los conductores que forman parte de el sistema de puesta a tierra incluyen los siguientes: Equipo de conducción de tierra (EGC) es un conductor eléctrico que proporciona una baja impedancia camino de tierra entre los aparatos eléctricos y cajas dentro del sistema de distribución. La Figura 1-8 muestra la conexión para un EGC. Devanados del motor eléctrico normalmente están aislados de corrientes que lleguen a las partes metálicas del motor. Sin embargo, si el sistema de aislamiento falla, entonces la carcaza del motor podría llegar a ser energizado a la tensión de línea. Cualquier persona en contacto a una superficie conectada a tierra y el motor en-ergizado al mismo tiempo, podrían ser gravemente herido o muertos. Aterrizando la carcasa del motor es obligado a tomar el mismo potencial cero como la tierra, evitando es-ta posibilidad.Conductor de puesta a tierra es un conductor que ha sido intencionalmente aterrizado.Conductor del electrodo de puesta a tierra es un conductor utilizado para conectar el conductor de tierra del equipo o el conductor de puesta a tierra (en el servicio o en el separado sistema derivado) al electrodo de puesta a tierra (s).

Las razones principales para la puesta a tierra son:• Para limitar la tensión de sobretensión causada por un

rayo, las operaciones del sistema de servicios públicos, o por contacto accidental con líneas de alta tensión.

• Proporcionar una referencia de tierra que estabiliza la ten-sión en condiciones normales de funcionamiento.

• Para facilitar el funcionamiento de los dispositivos de so-brecorriente tales como interruptores, fusibles y relés bajo condiciones de falla a tierra.

“Conexión” es la unión permanente de las juntas de metal partes que no tienen la intención de llevar la corriente durante el funcionamiento normal operación, lo que crea un camino conductor de la electricidad que puede llevar con seguridad actual en condiciones de falla a tierra. Las razones principales para la unión son:

• Establecer una vía eficaz para la corriente de falla que fa-cilita la operación de protección de sobrecorriente dispositivos.

• Para reducir al mínimo riesgo de descarga eléctrica a las personas al proporcionar una trayectoria de baja impedancia a tierra. límites de Vinculación la tensión de contacto cuando no portador de corriente las partes metálicas están inadvertida-mente energizados por una falla a tierra.

El Código exige que todo el metal utilizado en la construc-ción de un sistema de cableado para ser unido a, o conectado a, al sistema de tierra. La intención es proporcionar una baja impedancia camino de regreso al transformador de utilidad con el fin de rápidamente faltas claras. La Figura 1-7 ilustra la cor-riente de falla a tierra camino necesario para asegurar que los dispositivos de sobrecorriente operan para abrir el circuito. La tierra no se considera un eficaz falla a tierra camino actual. La resistencia de la tierra es tan alto que muy pocos fallos actuales vuelve a la eléctrica Fuente de alimentación a través de la tierra. Por esta razón, la puente de conexión principal se utiliza para proporcionar la conexión entre el conductor de puesta a tierra de servicio y el equipo conductor de puesta a tierra en el servicio. puentes de unión pueden estar situados en todo el sis-tema eléctrico, pero un puente de unión principal se encuentra sólo en el servicio. Conexión a tierra se lleva a cabo mediante la conexión del circuito a un metálico de tuberías de agua sub-terránea, la estructura metálica de un edificio, un electrodo de hormigón-revestido, o un anillo de tierra.

Un sistema de conexión a tierra tiene dos partes bien difer-enciadas: el sistema de puesta a tierra y el equipo de puesta a tierra. sistema de puesta a tierra es la conexión eléctrica de una de la conducción de corriente conductores del sistema eléctrico en el suelo. Equipo de puesta a tierra es la conexión eléctrica de todas las partes metálicas que no llevan corriente de todas las instalaciones eléctricas.

Utility transformer

F1 F2

Path through earthnot acceptable forground path becauseof high impedance

Groundfault current

Main bondingjumper

Serviceequipment

Groundingelectrodeconductor

Ground faultto metal conduit

L1 L2N Earth

Earthgroundingelectrode

Motor

Figure 1-7 Ground-fault current path.



La protección de falla a tierra normas y reglamentos de OSHA se han determinado necesarias y apropiadas para la seguridad y salud de los empleados. De acuerdo con OSHA, es responsabili-dad del empleado proporcionar: (1) interruptores de circuito de falla a tierra en las obras de construcción de salidas de recep-táculos en uso y no, parte del alambrado permanente del edifi-cio o estructura, o (2) un equipo de puesta a tierra asegurado en obras de construcción, cubriendo todos los juegos de cables, tomas que no son parte de la cableado permanente del edificio o estructura, y el equipo conectado por cordón y enchufe que están disponibles para su uso o utilizados por los empleados. .

Bloqueo y etiquetado.

“Bloqueo eléctrico” es el proceso de eliminación de la fuente de energía eléctrica y la instalación de una cerradura, lo que impide el poder de ser encendido. “Etiquetado eléctrico” es el proceso de colocar una etiqueta de peligro en la fuente de en-ergía eléctrica poder, lo que indica que el equipo no puede ser operado hasta que se quite la etiqueta de peligro (Figura 1-10). Este procedimiento es necesario para la seguridad del person-al.

Un sistema derivado es un sistema que suministra energía eléctrica derivada (tomada) de una fuente que un servicio, tales como el secundario de una distribución transformador

Un fallo de tierra se define como una no intencional, conex-ión eléctrica conductora entre una conexión a tierra de un circuito eléctrico y la normalmente no conducción de corriente que llevan, cerramientos metálicos, canalizaciones, equipos metálicos, o de tierra. El interruptor de falla a tierra (GFCI) es un dispositivo que puede detectar pequeñas corrientes de falla a tierra. El GFCI es de acción rápida, la unidad apagará la corriente o interrumpirá el circuito en 1/40 segundo después de que su sensor detecta una fuga tan pequeña como 5 miliampe-rios (mA). La mayoría de los circuitos fusibles o disyuntores están protegidos contra sobrecorriente de 15 ampers o más. Es-ta protección es adecuada contra cortocircuitos y sobrecargas. Las corrientes de fuga a tierra pueden ser mucho menos de 15 ampers y aún así ser peligrosos.

La figura 1-9 muestra el circuito simplificado de un receptáculo GFCI. El dispositivo compara la cantidad de corri-ente en el conductor sin conexión a tierra (vivo) con la canti-dad de corriente en el (neutro) conductor de protección. Bajo condiciones normales de funcionamiento, los dos serán iguales en valor. Si la corriente en el conductor neutro se hace menor que la corriente en el conductor de calor, existe una condición de falla a tierra. La cantidad de corriente que falta es devuelta a la fuente por el camino de falla a tierra. Cuando la corriente de falla a tierra excede aproximadamente 5 mA del dispositivo de forma automática abre el circuito al receptáculo. GFCI se pueden utilizar con éxito para reducir eléctrica

GFCI se pueden utilizar con éxito para reducir peligros eléc-tricos en los sitios de construcción.

Equipment groundingconductor (EGC)

Circuit breaker

Overloadprotection

Controller

L1 L2 L3

Figure 1-8 Equipment grounding conductor (EGC).

RelayElectronicamplifier

Hot

Neutral

Ground

Zero current flows in this conductor under normal operating conditions.

Figure 1-9 GFCI receptacle. Photo courtesy of The Leviton Manufacturing Company, www.leviton.com.

Figure 1-10 Lockout/tagout devices. Photos courtesy Panduit Corporation, www.panduit.com.


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por persona que posee el bloqueo. Candados de combinación , cerraduras con llaves maestras, y las cerraduras con duplicadono se recomiendan.

Marque la cerradura con la firma de la persona que realiza la reparación y la fecha y hora de la reparación. Puede haber varias cerraduras y las etiquetas en el interruptor de desconexión si más de una persona está trabajando en la maquinaria. El oper-ador de la máquina (y / o) cerradu-ra y la etiqueta del operario de mantenimiento serán pre-sentar, así como el supervisor de.

• Liberación de energía almacenada: Todas las fuentes de energía que tienen el potencial para encender inesperadamente, energizar, esto debe ser identificado y bloqueado, bloqueado o liberado.

• Verificación de aislamiento: Use una prueba de ten-sión a de-terminar que haya tensión en el lado de línea el interruptor o interruptor. Cuando todas las fases de salida son muertas con el lado de línea en vivo, se puede veri-ficar el aislamiento. Asegúrese de que el voltímetro está funcionando correcta-mente mediante la realización de la verificación “en vivo-muerto-vivo” antes de cada uso: Primero compruebe el voltímetro en una fuente de tensión conocida de la misma gama de voltaje del circuito que se va a trabajar. Siguiente, cheque por la presencia de ten-sión en el equipo que tiene bloqueado (Figura 1-11). Por último, para asegurar que el voltímetro no tuvo mal fun-cionamiento, compruebe de nuevo en la fuente conocida en vivo.

• Eliminación de bloqueo / etiquetado: Quitar etiquetas y candados cuando se haya completado el trabajo. Cada individuo debe eliminar su propio candado y etiqueta. Si hay más de un bloqueo presente, la persona a cargo de la trabajo es el último de eliminar su bloqueo. Antes volver a conectar la alimentación, compruebe que todas las protecciones estén en posición y que todas las herramientas, bloques y tirantes uti-lizados en la reparación fueron removidos. Asegúrese de que todos los empleados se mantengan alejados de la maquinaa.

Que asegura que nadie inadvertidamente energiza elequipo mientras se está trabajando. El bloqueo eléctricoy etiquetado de seguridad se utiliza en equipo eléctricode servicio que no requiere alimentación para realizar elservicio como en el caso de la alineación del motor o elreemplazo de un motor o componente de control del mo-tor.Bloqueo significa lograr un estado cero de energía,mientras que equipo está siendo reparado. Basta con pul-sar un botón de parada para apagar la maquinaria pero nole proporcionará la seguridad. Alguien que trabaja en elárea puede simplemente restablecerla. Incluso un controlautomatizado separado podría ser activado para anular loscontroles manuales. Es esencial que todo enclavamientoo sistemas dependientes también pueden desactivarse. Es-tos podrían dar lugar a que el sistema este aislado, ya seamecánica o eléctricamente. Es importante probar el botónde inicio antes de reanudar los trabajos, a fin de verificarsi es posible fuentes de energía se han aislado.La “etiqueta de peligro” tiene la misma importancia y elpropósito como un bloqueo y se utiliza solo sólo cuandoun bloqueo no puede adaptarse a los medios de desconexión.Las etiquetas de peligro deben ser bien conectadas en eldispositivo de desconexión con el espacio proporcionadoel nombre del trabajador, la operación, y el procedimien-to que se esta teniendo a lugar.Los siguientes son los pasos básicos para un procedimientode bloqueo:• Prepárese para el apagado de la maquinaria: Docu-mente todos los procedimientos de bloqueo en un manualde seguridad de la planta. Este manual debe estar disponiblepara todos los empleados y contratistas externos de trabajo enlas instalaciones. La administración debe tener políticas yprocedimientos de bloqueo seguro y también debe educary formar todos los involucrados en el bloqueo de salidaeléctrica o equipo mecánico. Identificar la ubicación de todosinterruptores, fuentes de alimentación, controles, disposi-tivos de seguridad, y otros dispositivos que necesitan serbloqueado con el fin de aislar el sistema.• Maquinaria o equipos de paro: Detener todo equipotrabajando mediante el uso de los controles cerca de lamáquina.• Maquinaria o equipo de aislamiento: Desconectar elinterruptor (no operar si el interruptor está todavíaencendido). Manténgase alejado de la caja y la cara lejosmientras acciona el interruptor con la mano izquierda (siel interruptor está en el lado derecho de la caja).• Bloqueo y etiquetado de seguridad de aplicaciones:Bloquee el desconectador interruptor en la posición OFF.Si la caja del interruptor es de tipo de interruptor,asegúrese de que la barra de bloqueo esté a la derecha delinterruptor en sí y no solo la tapa. Algunas cajas de inter-ruptores contienen fusibles, y estos deben ser eliminadoscomo parte del proceso de bloqueo. Si este es el caso, uti-lizar un extractor de fusibles para eliminarlos. Utilice unbloqueo a prueba de manipulación con una clave,

Figure 1-11 Testing for the presence of voltage. Photos courtesy Fluke, www.fluke.com. Reproduced with Permission.


http://www.fluke.com


El artículo 430 de los motores es el artículo más largo del Código. Una de las razones de esto es que las características de la carga del motor son muy diferentes de calefacción o las cargas de iluminación incandescentes y así el método de proteger conductores del circuito derivado contra exceso de corriente es ligeramente diferente. Circuitos no motores son protegidos contra las sobreintensidades, mientras que los circuitos de-rivados de motor estén protegidos contra las sobrecargas, así como fallas a tierra fabricantes. y cortocircuitos. El diagrama unifilar de la figura 1-12 ilustra algunos de los términos del motor utilizado en todo el Código y por el equipo de control del motor fabricantes.

El uso de aparatos eléctricos en lugares peligrosos aumenta el riesgo de incendio o explosión. lugares peligrosos puede contener gas, polvo (por ejemplo, de granos, de metal, madera o carbón), o fibras voladores (textiles o productos de madera). Un sustancial parte de la NEC está dedicado a la discusión de los peligrosos ubicaciones, porque los equipos eléctricos pueden llegar a ser una fuente de ignición en estas zonas inestables. los artículos 500 a 504 y 510 a través de 517 proporcionan una clasificación y las normas de instalación para el uso de equipos eléctricos en estos lugares. Aparato a prueba de explo-siones, dustignition- equipo a prueba, y purgado y presurizado equipos son ejemplos de técnicas de protección que puede ser utilizado en ciertos lugares peligrosos (clasificados). La figura 1-13 muestra un motor de arranque / parada de la estación dis-eñada para cumplir con los requisitos de lugares peligrosos.

Códigos eléctricos y normasADMINISTRACIÓN DE SEGURIDAD Y SALUD OCUPACIONAL (OSHA)En 1970, el Congreso creó una agencia reguladora conocida

como la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA). El propósito de OSHA es asegurar la seguridady las condiciones de trabajo saludables para los hombres y mujeres que trabajan, por lo que se autoriza la aplicación de las normas elaboradas bajo la Ley, alentar y ayudar a los gobiernos estatales para mejorar y ampliar su propia seguri-dad y la programas de salud, y mediante el establecimiento de la investigación, la información, educación y formación en el campo de trabajo salud y seguridad.

Inspectores de OSHA verificacan a las empresas para ase-gurarse de que están siguiendo las normas de seguridad estable-cidas. OSHA También inspecciona y aprueba los productos de seguridad. De OSHA eléctrica estándares están diseñados para proteger a los trabajadores expuestos a peligros tales como descarga eléctrica, electrocución, incendios y explosiones.

CODIGO ELÉCTRICO NACIONAL (NEC)

El Código Eléctrico Nacional (NEC) comprende un conjun-to de normas que, cuando se aplica correctamente, tienen por objeto proporcionar una instalación segura de cableado y equipo eléctrico. Este ampliamente adoptado nivel mínimo de seguridad eléctrica tiene como su objetivo principal “la protec-ción práctica de las personas y la propiedad de los riesgos derivados del uso de la electricidad. “ Normas contenidas en el NEC son impuestas por de incorporarse a las diferentes ciu-dades y comunidades los decretos que se ocupan de las insta-laciones eléctricas en viviendas, plantas industriales y edificios comerciales. La NEC es el código más adoptado en el mundo y muchas jurisdicciones adopten en su totalidad y sin excepción o las modificaciones locales o suplementos.

Un “artículo” del Código cubre un tema específico. Por ejemplo, el artículo 430 del NEC cubre motores y todos los cir-cuitos asociados, la protección de sobrecorriente, sobrecarga, y así sucesivamente. La instalación del motor de control de cen-tros están cubiertos en el artículo 408, y el aire acondicionado equipo está cubierto en el artículo 440. Cada regla Código que se llama un “área de instrucciones.” una sección de código puede ser dividido en subsecciones. Por ejemplo, la regla que requiere un motor de desconectar ser montados medios está contenida dentro de la vista del motor y la maquinaria accionada en la Sección 430.102 (B). “A los ojos” se define por el Código como visibles y no más de 50 pies de distancia (Artículo 100-definiciones).

To distribution panel

Motor feeder

Motor branch-circuitground-fault andshort-circuit protection(fuses or circuit breakers)

Motor disconnectingmeans

Motor branch-circuitconductors

Motor controller

Motor overloadprotection

Motor

Motor thermalprotection

Motor branch circuitconductors

Motor control circuits

Figure 1-12 Motor terminology.



En ningún caso use agua, ya que la corriente de agua puede conducir la electricidad a través de su cuerpo y darle un duro golpe.

4. Asegúrese de que todas las personas que salen de la zona de peligro, en un manera ordenada. 5. No volver a entrar en los locales excepto que se hacer-lo.Hay cuatro clases de incendios, clasificadas según el tipo de material que se está quemando (véase la figura 1-14):

• Los incendios de Clase A son aquellos alimentados por materiales que, cuando se queman, dejan residuos en forma de cenizas, tales como papel, madera, tela, caucho, y cierta plás-ticos. • Los incendios clase B incluyen líquidos y gases in-flamables, tales como gasolina, diluyente de pintura, grasa de cocina, propano, y el acetileno. • Los incendios clase C incluyen cableado eléctrico en-ergizado o equipos tales como motores y cajas de paneles. • Los incendios clase D implican metales combustibles tales como magnesio, titanio, circonio, sodio, y de potasio.

PRUEBAS DE LABORATORIA RECONOCIDOSNACIONALMENTE

El artículo 100 del NEC define los términos “marcados” y “Listado”, que son ambos relacionados con la evaluación del producto. Etiquetado o listado indica que el equipo eléctrico o material ha sido probado y evaluado para el propósito que está destinado a ser utilizado. productos que son lo suficientemente grande suelen ser etiquetados. La productos más pequeños son por lo general enlistados. Cualquier modificación de una pieza de equipo eléctrico en el campo puede anular laetiqueta o listado.

De conformidad con las normas de seguridad de OSHA, una nacional Laboratorio de Pruebas Reconocido (NRTL) debe probar productos eléctricos de la conformidad a los códigos nacionales y normas antes de que puedan estar registrados o marcados. El mayor y más conocido laboratorio de pruebas es el bajo escritorios ‘ Laboratorios, identificados con el logotipo UL muestran en la figura 1-15. El propósito de los Laboratorios bajo escritores ‘ es establecer, mantener y operar laboratorios para la investigación de materiales, dispositivos, productos, equipamiento, la construcción, métodos, y sistemas con respecto a los riesgos que afectan a la vida y la propiedad.

PROTECCIÓN NACIONAL CONTRA INCENDIOS La Asociación Nacional de Protección contra Incendios

(NFPA) desarrolla códigos que rigen las prácticas de construc-ción del edificio y oficios eléctricos. Es la mayor del mundo yla mayor parte influyente organización de la seguridad contraincendios. NFPA ha publicado casi 300 códigos y normas, in-cluyendo el NEC, con la misión de prevenir la pérdida de lavida y la propiedad. La prevención de incendios es una partemuy importante de cualquier programa de seguridad. La figura1-14 ilustra algunos de los tipos comunes de extintores y susaplicaciones. Los iconos que se encuentran en el extintor deincendios indican los tipos de disparar la unidad está diseñadopara ser utilizado en.

Es importante saber donde están sus extintores se encuen-tran y cómo usarlos. En caso de una eléctrica fuego debenseguir los siguientes procedimientos:

1. Ponga la alarma de bomberos más cercana para alertara todo el personal en el lugar de trabajo, así como a losbomberos.

2. Si es posible, desconecte la fuente de energía eléctrica.3. Utilice un dióxido de carbono o polvo seco extintor de

incendios para apagar el fuego.

Figure 1-13 Push button station designed for hazardous locations. Photo courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.

BA

C D

Figure 1-14 Types of fire extinguishers and their applications.

R

Figure 1-15 Underwriters’ Laboratories logo.


http://www.rockwellautomation.com


similares en las calificaciones y, para la mayoría de aplicaciones comunes, son en gran medida intercambiables. Normas NEMA tienden a ser más conservadores lo que permite más espacio para “el diseño interpretación “, como ha sido la práctica EE.UU.A la inversa, la norma IEC normas tienden a ser más específicos, más categorizado- algunos dicen más preciso-y diseñado con menos sobrecarga capacidad. A modo de ejemplo, un motor de arranque con clasificación NEMA se típicamente mayor que su contraparte IEC.

INSTITUTO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA IN-GENIEROS (IEEE)

El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) es una asociación profesional técnica cuya principal objetivo es fomentar y establecer los avances técnicos y avances en los estándares eléctricos y electrónicos. IEEE es una autoridad líder en áreas técnicas. A través de su técnica normas ed-itoriales, conferencias, y basada en el consenso actividades, el IEEE produce más del 30 por ciento de literatura publicada en el mundo en aparatos eléctricos y electrónicos ingeniería. Por ejemplo, IEEE 142 estándar proporciona todas la información que necesita para un buen diseño de puesta a tierra.

ASOCIACIÓN NACIONAL DE FABRICANTESELÉCTRICOS La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) es un grupo que define y recomienda la seguridad para equipos eléctricos. normas establecidas por NEMA ayudar a los usuar-ios en la selección adecuada de la industria equipo de control. Como un ejemplo, las normas NEMA proporcionan informa-ción práctica relativa a la calificación, las pruebas, rendimien-to, y la fabricación de dispositivos de control de motores tales como cerramientos, contactores y arrancadores.

COMISIÓN INTERNACIONAL DEELECTROTECNIA La Comisión Internacional de Electrotecnia (IEC) es un Or-ganización con sede en Europa compuesta por comités nacionales de más de 60 países. Hay básicamente dos grandes normas mecánicas y eléctricas para motores: NEMA en Améri-ca del Norte y IEC en la mayor parte del resto del mundo. Di-mensionalmente, normas IEC se expresan en unidades métricas unidades. Aunque las normas NEMA y IEC utilizan diferentes unidades de medida y términos, que son esencialmente


1. Explicar cómo conectar a tierra el armazón de un motor pueden evitar que alguien reciba una descarga eléctrica.

2. Comparar los términos de puesta a tierra y unión.3. ¿Cuál es la cantidad mínima de corriente de fuga a tierra

requerido para disparar un interruptor de circuito por falla a tierra?

4. Enumere los siete pasos a seguir en un bloqueo / etique-tado procedimiento.

5. Un interruptor de desconexión es para ser tirado abierto como parte de un procedimiento de bloqueo. Explicar la manera segura de proceder.

6. ¿Cuál es el objetivo principal Código de la Nacional Eléc-trica?7. ¿Cómo son las normas contenidas en el NEC forzada?8. Explique la diferencia entre un artículo y un Código Sec-ción.9. ¿Qué encontraron los iconos en la mayoría de los extintoresindicar?10. ¿Cómo es un dispositivo eléctrico UL-etiquetados o quecotiza significar?11. Mencione tres dispositivos de control de motores que estánclasificados por NEMA.12. Comparar estándares motor IEC y NEMA

TROUBLESHOOTING SCENARIOS

1. The voltage between the frame of a 3-phase 208-V motor and a grounded metal pipe is measured and found to be 120-V. What does this indicate? Why?

2. A ground-fault circuit interrupter does not provide overload protection. Why?

3. A listed piece of electrical equipment is not installed according to the manufacturer’s instruc-tions. Discuss why this will void the listing.

4. A hot stick is to be used to open a manually oper-ated high-voltage disconnect switch. Why is it important to make certain that no loads are con-nected to the circuit when the switch is opened?


DISCUSSION TOPICSDiscussion Topics 13

DISCUSSION TOPICS AND CRITICAL THINKING QUESTIONS

1. Worker A makes contact with a live wire and receives a mild shock. Worker B makes con-tact with the same live wire and receives a fatal shock. Discuss some of the reasons why this might occur.

2. The victim of death by electrocution is found with his fist still clenched firmly around the live con-ductor he made contact with. What does this indicate?

3. Why can birds safely rest on high-voltage power lines without getting shocked?

4. You have been assigned the task of explaining the company lockout procedure to new employees. Outline what you would consider the most effective way of doing this.

5. Visit the website of one of the groups involved with electrical codes and standards. Report on the ser-vice it provides.


14

2

PARTE 1 Símbolos- diagramas de escaleras.

Símbolos de motes.

Un circuito de control del motor puede ser definidocomo un medio de suministro de potencia y elimi-nación de alimentación de un motor. Los símbolosusados representan diferentes componentes de un control de motor.

Cooommmppprensssiiión ddde dddiiiagggrammmasssellléctriiicooosss

Objetivos de capituloObjetivos del capitulo Este capítulo le ayudará a:1. Reconocer los símbolos utilizados con frecuencia

en diagramas de control y fuerza.2. Leer y construir diagramas de escalera.3. Leer el cableado de una sola línea, y los dia-

gramas de bloques.4. Familiarizarse con las terminales de conexiones

para los diferentes tipos de motores.5. Interpretar la información encontrada en la

placa de identificación del motor.6. Familiarizarse con la terminologíautilizado en los circuitos del motor.7. Comprender el funcionamiento de manual yarrancadores magnéticos.

Se utilizan diferentes tipos de planos eléctricos en el trabajo con los motores y sus circuitos de control. Con el fin de facilitar la toma y la lectura planos eléctricos, ciertos símbolos estándar se utilizan. Para leer planos eléctricos del motor, es necesario cono-cer tanto el significado de los símbolos y la forma en que el equipo funcione. Este capítulo le ayudará a entender el uso de los símbolos de esquemas eléc-tricos. En el capítulo También explica la terminología del motor e ilustra con aplicaciones prácticas.


PART 1 Symbols—Abbreviations—Ladder Diagrams 15

El uso de estos símbolos tiende a hacer diagramas de cir-cuitos menos complicado y más fácil de leer y entender. En los sistemas de control de motor, los símbolos y líneas correspon-dientes de muestran cómo las partes de un circuito están conec-tados a uno otra. Por desgracia, no todos los componentes eléc-tricos y electrónicos símbolos están estandarizados. Se encuen-tra ligeramente símbolos diferentes utilizados por diferentes fabricantes. además, símbolos a veces parecen en nada a la realidad, por lo que usted tiene que aprender lo que significan los símbolos. Figura 2-1 muestra algunos de los símbolos que se usan en motores diagramas circuito.

Condiciones para los Motores Una abreviatura es la forma abreviada de una palabra o frase. Las letras mayúsculas se utilizan para la mayoría de las siglas. La siguiente es una lista de algunas de las abreviaturas comúnmente utilizado en los diagramas de circuito del motor.

AC Corriente AlternaARM Armadura AUTO AutomaticoBKR InterruptorCOM ComunCR Rele de controlCT Transformador de CorrienteDC Corriente directaDB Interruptor DinamicoFLD Campo FWD Adelante GRD TierraHP Caballos de Fuerza L1, L2, L3 Conexiones de lineaLS Interruptor de limiteMAN ManualMTR MotorM MotorNEG NegativoNC Normalmente CerradoNO Normalmente AbiertoOL Rele de sobrecargaPH FasePL Luz PilotoPOS PositivoPWR PoderPRI PrimarioPB Push button

REC RectificadorREV ReversaRH ReostatoSSW Interruptor de seguridadSEC Secundario1PH Fase unicaSOL SolenoideSW InterruptorT1, T2, T3 Terminales de motor3PH Tres fasesTD Retraso de tiempo

TRANS Transformador

Diagramas de escalera para motores Los dibujos de control del motor proporcionan in-formación sobre circuito funcionamiento, el dispositivo y la localización del equipo y el cableado instrucciones. Los símbolos utilizados para representar interruptores consisten de los puntos de unión (lugares donde los dispositivos se conectan a cada circuito otra), barras de contacto, y el símbolo específico que identifica ese tipo particular de interruptor, como se ilustra en la Figura 2-2. Aunque un dispositivo de control puede tener más de un conjunto de contactos, sólo los contactos utilizados en el cir-cuito son representados en los planos de control.

Se utiliza una variedad de diagramas de control y dibujos de instalar, mantener y solucionar problemas de control motor sis-temas. Estos incluyen diagramas de escalera, diagramas de ca-bleado, diagramas de líneas y diagramas de bloques. Un “esquema de contactos” (considerado por algunos como una forma de un diagrama esquemático) se centra en el funcionamiento eléctri-co de un circuito, no la ubicación física de un dispositivo. Por ejemplo, dos de parada de botones pueden estar físicamente en los extremos opuestos de un transportador largo, pero eléctri-camente lado a lado en el diagrama de escalera.Diagramas Ladder, tales como la que se muestra en la Figu-

ra 2-3, se dibuja con dos líneas verticales y cualquier número de líneas horizontales. Las líneas verticales (llamados carriles) se conectan a la fuente y el poder se identifica como la línea 1(L1) y línea 2 (L2). Las líneas horizontales (llamados peldaños) están conectados entre L1 y L2 y contienen los circuitos de control. Diagramas de escalera están diseñados para ser leído como un libro, comenzando en la parte superior izquierda y de izquierda a derecha y arriba a abajo.Debido diagramas de escalera son más fáciles de leer, que a

menudo son utilizado en el rastreo a través de la operación de un circuito. Más controladores lógicos programables (PLCs) utilizan el concepto de escalera de diagramas de base para su programación idioma.

La mayoría de los diagramas de escalera ilustrados uni-camente se conecta a L1 y L2 en el diagrama de control


16 Chapter 2 Understanding Electrical Drawings

Figura 2-1 Simbolos de control de motores.. Photos a–d, g: Este material y las marcas asociadas son propiedad de, y uusadas con la autorizacion de Schneider Electric; e–f: Cortesia de Cooper Bussmann, www.bussmann.com; h–j, l: Foto cortesia de Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com; m: © Baldor Electric Company. Reimpreso con su autorizacion. Photo Baldor, www.baldor.com.

(k) Electrical wires are represented by lines

Baja corrientecontrolalambrado

Alta corriente controlalambrado

Cruce de alambress

sin conexion

Cables conectados

conexion a tierra

(l) Rele Electromecanicos

Contacto normalmente

abierto

Bobina magnetica

Contacto normalmente

cerradro

(m) AC motores

Motor de tres fases

Motor de una fase

(i) Boton pulsador

Boton pulsador momentaneoNormalmente abierto

Boton pulsador momentaneoNormalmente cerrado

Boton pulsador combinado, normalmente abierto ynormalmente cerrado.

(j) Luz piloto indicadora(h) Transformer de control

H1 H3 H2 H4

X2 X1

(c–d) Rele de sobre carga (OL)

Rele termico de sobrecarga Rele de estado solidode sobrecarga

(e–f) Fusibles

Class R Class G

(g) Arrancador magnetico de tres polos

(b) Interruptor de tres polos(a) Disconnect switch

Switch dos polossin fusible

NEMA 1 NEMA 3R NEMA 12NEMA 4,4X and 5

Stainless steel


Switchtres polossin fusible

Switch de tres poloscon fusible

http://www.bussmann.com


http://www.baldor.com


con lineas que se intersectan sin puntos. Los conductores que hacen contacto están representados por un punto en el cruce. En la mayoría de los casos la tensión de control es obtenida direc-tamente desde el circuito de potencia o de un transformador de control de paso hacia abajo conectado al circuito de potencia. El uso de un transformador permite una tensión más baja (120 V AC) para el circuito de control, mientras que el suministro delcircuito de potencia del motor trifasico es con una tensión más alta (480 V AC) para el funcionamiento del motor más eficiente.

Un diagrama de escalera da la información necesaria para fácilitar el seguimiento de la secuencia de funcionamiento del circuito. Es una gran ayuda para la solución de problemas, ya que muestra de una forma sencilla el efecto que la apertura o el cierre de varios contactos tiene en otros dispositivos en el cir-cuito. Todos los interruptores y relés se clasifican como nor-malmente abierto (NO) o normalmente cerrado (NC). Las posi-ciones dibujadas en los diagramas son las características eléc-tricas de cada dispositivo como serían encontrado cuando se leva y no está conectado en cualquier circuito. Esto se conoce como e “off-the-shelf” a veces o el estado sin corriente. Es importante entender esto ya que también puede representar la posición desenergizada en un circuito. La posición sin corriente se refiere a la posición del componente cuando se desactiva el circuito, o ningún poder está presente en el circuito. Este punto de referencia es a menudo utilizado como el punto de partida en el análisis de la operación del circuito.

Un método común utilizado para identificar la bobina del relé y los contactos operados por este es colocar una letra o letras en el círculo que representa la bobina (Figura 2-5).

A veces, cuando hay varios contactos operados por una bobina,

La figura 2-4 muestra ambos circuitos de control y fuerza. En los diagramas que incluyen circuitos de conexion de control y fuerza, puedes ver tanto lineas de conduccion pesadas y ligeras. Las lineas pesadas son us-adas para los cir-cuitos de potencia de corriente alta y las lineas ligeras para los cicuitos de control de corriente baja. Los conductores que se cruzan entre si pero no hacen contacto electrico se representan

Nodepoints

Switch type(float)

Contactbar

Figura 2-2 Switch symbol component parts.

L1 L2StartPB1

CR1-1

EmergencystopPB2

CR1

M

CR1-2

CR1-3

CR1-4 OL

LS1Rung 1

Run

Stop

Rung 2

Rung 3

Rung 4

G

R

Figure 2-3 Typical ladder diagram.

Control circuit

OLM

Temperatureswitch

120 VTransformer

T1L1

T3

OLM

T2L2

L2L1

480 V

Power circuit

Fuse

L3

Motor

Figure 2-4 Motor power and control circuit wiring.

L1 L2

CR1

CR2

CR

M1

M1M3

M2

OL

M2OL

M3OL

CR—Control relayM1—Starter #1

M2—Starter #2M3—Starter #3

Figura 2-5 Identificacion de bobinas y contactos asociados.



Todo dispositivo de control se identifica con la nomenclaturaadecuada para el dispositivo (por ejemplo, detener, iniciar). Delmismo modo, todas las cargas requieren que tengan abreviaturaspara indicar el tipo de carga (por ejemplo, M para la bobina de arranque). A menudo, un adicional sufijo numerico se utilizapara diferenciar varios dispositivos del misma tipo. Por ejemplo,en un circuito de control con dos arrancadores de motor podríanidentificarse a las bobinas como M1 (contactos 1-M1, M1-2,etc) y M2 (contactos 1-M2, M2-2, etc.).

A medida que la complejidad de un circuito de control aumenta, su esquema de contactos aumenta de tamaño, por loque es más difícil de leer y localizar los contactos que están controladas por que bobina. “Numeración Peldaño” se utilizapara ayudar en la lectura y la comprensión de diagramas de escalera más grandes. Cada peldaño del diagrama de relés es-tá marcado (peldaño 1, 2, 3, etc), comenzando con el peldañosuperior y leyendo hacia abajo. Un peldaño puede definirsecomo una ruta completa de L1 a L2 que contiene un cargar.La Figura 2-8 ilustra el marcado de cada peldaño en un dia-grama de líneas con tres peldaños distintos:

• La ruta para el peldaño 1 es completado a través delboton inversor,boton de inicio de ciclo, el interruptor de limite 1LS, y la bobina 1CR.

• La ruta del peldaño 2 es completado a través del botón de inversion, el relé 1CR-1, el interruptor final de carrera 1LS, y la bobina 1CR. Tenga en cuenta que elpeldaño 1 y son peldaño

se añade un número a la letra para indicar el número de contacto. Aunque hay significados estándar de estas letras, lamayoría de los diagramas proporcionan una lista de clavespara mostrar el significado de las letras, por lo general se toman del nombre del dispositivo .

Una carga es un componente del circuito que tieneresistencia y consume energía eléctrica suministrada desde L1a L2. Bobinas de control, solenoides, bocinas, y luces pilotosson ejemplos de cargas. Al menos un dispositivo de carga debe ser incluido en cada uno peldaño del esquema de contactos. Sin un dispositivo de carga, el dispositivos de control se cambia de un circuito abierto a una cortocircuito entre L1 y L2. Contactosde dispositivos de control tales como interruptores, pulsadoresy relés son considerados que no tienen resistencia en el estadocerrado. La conexión de los contactos en paralelo con una car-ga también puede resultar en un corto circuito cuando se cierrael contacto. La corriente de cortocircuito toma el camino de menor resistencia a través de la contacto cerrado.

Normalmente las cargas se colocan en el lado derecho del diagrama junto a L2 y contactos en el lado izquierdo junto a L1.Una excepción a esta regla es la colocación de la contactos normalmente cerrados controlados por dispositivo de protec-ción de sobrecarga del motor. Estos contactos se dibujan a la derecha de la bobina del arrancador del motor como se muestra en la Figura 2-6. Cuándo dos o más cargas se requieren para ser energizados simultáneamente, deben ser conectados en parale-lo. Esto asegurará que toda la tensión de la línea de L1 y L2 aparecerá a través de cada carga. Si las cargas están conectadas en serie, no recibira toda la tensión de red necesaria para la op-eración adecuada. Recordemos que en una conexión en serie de cargas la tensión aplicada se divide entre cada una de las cargas. En una conexión en paralelo de cargsa el voltaje a través de cada carga esl mismo y es igual en valor a la tensión aplicada.

Los dispositivos de control tales como interruptores, pulsadores, interruptores de limite y conmutadores de presiónoperan cargas. Dispositivos que abren una carga suelen estar conectados en paralelo, mientras que los dispositivos que paran la carga están conectados en serie.

L1 L2

M1

Start

StartStop

Stops in seriesStop Stop

MOL

Start

Starts in parallel

Figura 2-7 Dispositivos de paro conectados en serie y dispositivos de encendido conectados en pl.

L1 L2Cyclestart

Reverse

1CR-1

1CR

1CR-2 SOL A

1LS1

2

3

Rungnumbers

Figura 2-8 Diagrama de escalera con peldaños numerados.

L1 L2

M1

120-Vcoil

120-Vpilot light

Loads inparallel

Start

120 V AC

StopM

OL

RR

Figura 2-6 Cargas situadas a la derecha y contactos a la izquierda.



Algún tipo de “identificación de cables” tiene la obligación de conectar correctamente los conductores del circuito de control para sus componentes en el circuito. El método utiliza-do para identificación de alambres varía para cada fabricante.La figura 2-10 ilustra un método en el que cada punto común en el circuito se le asigna un número de referencia:

• La numeración comienza con todos los cables que es-tán conectados al lado L1 de la fuente de alimentación identificada con el número 1.

• Continuar en la parte superior izquierda del diagrama con es-calón 1, un nuevo número se designa de forma secuencial paracada uno de los alambres que atraviesa un componente.

• Los cables que son eléctricamente comunes están marcadoscon los mismos números.

• Una vez que el primer cable directamente conectadoa L2 esta designado (en este caso 5), todos los demáscables directamente conectado a L2 se marcarán con el mismo número.

• El número de componentes en la primera línea delesquema de contactos determina el número de cablespara conductores conectados directamente a L2.

La figura 2-11 ilustra un método alternativo de asignacion de numeros. Con este método todos los cables directamente conectado a L1 se designan 1, mientras que todos aquellosconectados a L2 se designan 2. Después de que todos los ca-bles 1 y 2 están marcados, los números restantes se asignan en un orden secuencial que empieza en la parte superior izquierdadel diagrama. Este método tiene como ventaja el hecho de que todos los cables directamente conectado a L2 siempre son des-ignados como 2. Los diagramas de escalera también pueden contener una serie de descripciones situada a la derecha de L2,que se utiliza para documentar la la función del circuito contro-lado por el dispositivo de salida.

Una línea discontinua indica normalmente una conexiónmecánica. No cometa el error de leer una línea quebrada comouna parte del circuito eléctrico. En la figura 2-12 las líneas ver-ticales discontinuas indican que los contactos normalmente ce-

2 son identificados como dos peldaños separados a pesarde que controlan la misma carga. La razón de esto es que

o bien el botonn de arranque del ciclo 1CR-1 o el relé completa la ruta de L1 a L2.

• La ruta para el peldaño 3 es completada cuando el rele 1CR-2 se pone en contacto con el solenoide SOL A.

“Cruce numerico referenziado”, se utiliza en conjunto con la numeración para localizar contactos auxiliares controlados por las bobinas en el circuito de control con peldaño. A veces los contactos auxiliares no están en estrecha proximidad en el diagrama de escalera a la bobina de control. Para localizar estos contactos, números de escalón se encuentran a la derecha de L2 en el parentesis en el peldaño de la bobina de control de su funcionamiento. En el ejemplo mostrado en la Figura 2-9:

• Los contactos de la bobina de 1CR aparecen en dos diferentes lugares en el diagrama de líneas.

• Los números entre paréntesis a la derecha del diagrama de lineas identifican la ubicación de la línea y el tipo de contactos controlados por la bobina.

• Los números que aparecen entre paréntesis para contac-tos normalmente abiertos no tienen marcas especiales.

• Los números utilizados para los contactos normalmente cerrados son identificado mediante subrayado o un número para distinguirlos de los contactos normalmente abiertos.

(2, 3)Numericalcrossreferences

L1 L2Cyclestart

Reverse

1CR-1

1CR

1CR-2

1LS1

2

3SOL A

Figura 2-9 Sistema numerico de cruce ref.

L1 L2CyclestartReverse

1CR-1

1CR

1CR-2

1LS

Wirenumbering

Rung 14 53 41 2 2 3

2 3

6 51 6

Rung 2

Rung 3

(2, 3)

SOL A

Figura 2-10 Cable numerado. Photo courtesy Ideal Industries, www.idealindustries.com.


http://www.idealindustries.com


(a) (b)

Controltransformer

M1

MOL

L2L1L1

StopStartStart

Groundfault

FuseFuse

Controltransformer

M1

MOL

L2

Stop

Figura 2-13 Conexion a tierra de un transformador: ( a ) transformador correctamente aterrizado a L2 en el circuito; ( b ) Transformador conectado incorrectamente a L1 en el circuito. Photo courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.

L1 L2FWD REVStop

F R

R

OL

F

FR

Figura 2-12 Repesentacion de funciones mecanicas.

L1 L2Cyclestart

1CRrelay

wiring

Piston FWD CR

Piston FWD SOL

Documentation

Reverse

1CR-1

1CR

1CR-2

1LS

Rung 15 24 51 3 3 4

3 4

6 21 6

Rung 2

Rung 3

(2, 3)

5 6

12

SOL A

Figura 2-11 Identificacion de alambrado alternativa con documentacion.

rrados y normalmente abiertos están mecánicamente conectados. Asi, al pulsar el botón se abrirá el conjunto de contactos y cer-raran el otro. La línea discontinua entre F y R indica que los dos están enclavados mecánicamente. Por lo tanto, las bobinas F y R no puede cerrar los contactos simultáneamente debido a la la acción de enclavamiento mecánico del dispositivo.

Cuando se requiere un transformador de control que una sus líneas secundarias a tierra, la conexión a tierra debe hacer-

se de modo que el circuito de control no arranque el motor o hacerque el botón de parada sea inoperante. La figura 2-13a ilustrael secundario de un transformador de control de tierra al ladoL2 del circuito. Cuando el circuito está en funcionamiento, latotalidad del circuito a la izquierda de la bobina M es el cir-cuito sin conexión a tierra (que es la pierna “caliente”). Si un camino falla a tierra en la conexión a tierra creará una condi-ción de cortocircuito haciendo que el transformador de controlfusione para abrir. La figura 2-13b muestra el mismo circuitoconectado a tierra correctamente en L1. En este caso, unacorto y fallo de tierra a la izquierda de la bobina M energizarála bobina, el arranque del motor sera de forma inesperada. Elfusible no funcionara para abrir el circuito y presionando elbotón STOP no desenergizar la bobina M. Daños en el equipoy lesiones personal serían muy probables. Claramente, losdispositivos de salida deben estar directamente conectados a latierra del circuito.



PART 2 Wiring—Single Line—Block Diagrams 21


1. Define what the term motor control circuit means. 2. Why are symbols used to represent components on

electrical diagrams? 3. An electrical circuit contains three pilot lights. What

acceptable symbol could be used to designate each light?

4. Describe the basic structure of an electrical ladder diagram schematic.

5. Lines are used to represent electrical wires on diagrams.a. How are wires that carry high current differenti-

ated from those that carry low current? b. How are wires that cross but do not electrically

connect differentiated from those that connect electrically?

6. The contacts of a pushbutton switch open when the button is pressed. What type of push button would this be classified as? Why?

7. A relay coil labeled TR contains three contacts. What acceptable coding could be used to identify each of the contacts?

8. A rung on a ladder diagram requires that two loads, each rated for the full line voltage, be energized when a switch is closed. What connection of loads must be used? Why?

9. One requirement for a particular motor application is that six pressure switches be closed before the motor is allowed to operate. What connections of switches should be used?

10. The wire identification labels on several wires of an electrical panel are examined and found to have the same number. What does this mean?

11. A broken line representing a mechanical function on an electrical diagram is mistaken for a conduc-tor and wired as such. What two types of problems could this result in?

T31, 2, or 3 OL

contacts

Alarm ifsupplied

L3

T3

L2

T2

OL

L1

T1

T1 T2

31

2

AA

Motor

Figure 2-14 Typical motor starter wiring diagram. This material and associated copyrights are proprietary to, and used with the permission of Schneider Electric.


PARTE 2 Cableado de una sola línea - diagramas bloque.

Diagramas de cableado

Los diagramas de cableado se usan para mostrar punto a puntoel cableado entre los componentes de un sistema eléctrico ya veces su relación física entre sí. Puede incluir números de identificación de alambre asignados a conductores en el es-quema de escalera o codificación de color. Bobinas, contac-tos, motores, y similares, se muestran en la real posición que se encuentra en una instalación. Estos diagramas son útiles en el cableado de los sistemas, ya que las conexionesse pueden hacer exactamente como aparecen en el diagra-ma. Un diagrama de cableado da la información necesariapara la realizar el cableado de un dispositivo o grupo de dispositivos o la localización de cables físicamente para lasolución de problemas. Sin embargo, es difícil determinarel funcionamiento del circuito de este tipo de diagrama.

Diagramas de cableado se proporcionan la mayoría de los.La figura 2-14 muestra un diagrama de cableado típico pro-porcionado por un motor de arranque. El diagrama muestracomo la posible ubicación real de todas las partes compo-nentes del dispositivo. Las terminales abiertas (marcadas porun círculo abierto) y las flechas representan las conexionesrealizada por el usuario.


Magnetic starter L1

T1 T2 T3

L2 L3

M

H2

X2 X1

3 1 2

H1 H3 H4 3

2

312

T1T2T3

Start

StopPushbutton

station

C2 C1

C1C2 Pumpmotor

Figure 2-15 Routing of wires in cables and conduits. Photo courtesy Ideal Industries, www.idealindustries.com.

Magnetic starter

3 1 2

L1

T1 T2 T3

L2 L3

T1T2T3

Pushbutton station

C2 C1

C1

312

Start

Stop

C2 Pumpmotor

Figure 2-16 Wiring with the internal connections of the magnetic starter omitted.


Tenga en cuenta que líneas en negrita denotan el circuito de fuerza, y las líneas más delgadas se utilizan para mostrar el cir-cuito de control.

La ruta de los cables y canalización, como lo muestra la figu-ra 2-15 es una importante parte de un diagrama de cableado. Un diagrama canalización indica el inicio y el fin de los conductoseléctricos y muestra el camino aproximado tomado por cualquierducto de un punto a otro. Integrado con un dibujo de esta nat-uraleza el cableado y canalización son listados, el cual tabulacada ducto con el número, tamaño, función y servicio, también incluye el número y el tamaño de los cables que van la tubería.

Los diagramas de cableado muestran los detalles de las conex-iones reales. Pocas veces muestran los detalles completos delpanel o el cableado del equipo. El diagrama de cableado de laFigura 2-15, es reducido a una forma más simple, se muestra en la Figura 2-16 omitiendo las conexiones internas del arrancadormagnético. Los cables dentro de los ductos C1 son parte delcircuito de fuerza y el tamaño adecuado para el requisito actualdel motor. Los cables dentro del ducto C2 son parte del circuitode control de baja tensión y dimensionado para la corriente deltransformador de control.

Los diagramas de cableado se utilizan a menudo en combinación con diagramas de escalera para simplificar la comprensión delproceso de control. Un ejemplo se ilustra en la figura 2-17. Eldiagrama de cableado muestra tanto el circuito de fuerza comoel circuito de control. Un diagrama separado de escalera delcircuito de control está incluido para dar una idea más clarade su funcionamiento.

http://www.idealindustries.com

PART 2 Wiring—Single Line—Block Diagrams 23

Supply

SplitterMotor branch circuitdisconnecting means

Motor branch circuitovercurrent protection

Motor branch circuit conductors

Motor starter disconnecting means

Remote controlMotor starter

Motor disconnecting means

Motor overheating protection

Motor overload protectionUnder-voltage protection

Feeder disconnecting means

Feeder overcurrent protection

Figure 2-18 Single-line diagram of a motor installation.

Ladder control diagram

Start

Pilot light

Stop OL

L1 L2

M

2 3

M

Wiring diagram

L1

Pilot light

Start

Stop

L2

M

OL

OL

T1 T2 T3

L3

21

3

Motor

R

R

Figure 2-17 Combination wiring and ladder diagram.

MotorMotorMotorMotor

Circuit breaker

Main transformerbank

Distributioncenter

Linestarters

Lightingtransformers

Fusedswitches

Figure 2-19 Single-line diagram of a power distribution system.


El siguiente diagrama de escalera se puede ver que la luzpiloto está conectada y enciende cada vez que se enciende el motor. El diagrama de fuerza se ha omitido por la facilidad del circuito, ya que es fácil de rastrear en el diagrama de ca-bleado (líneas gruesas).

Diagramas Unifilares

Un diagrama unifilar (también llamado de una línea) utiliza símbolos con una sola línea para mostrar todos los com-ponentes principales de un circuito eléctrico. Algunos fabri-cantes de equipos de control para motores utilizan diagramas unifilares, como la que se muestra en la Figura 2-18, como un mapa de camino en el estudio de instalación de un control de motores. La instalación se reduce a la forma más simple, sin embargo, todavía se muestran los requisitos esenciales y el material en el circuito.

Los sistemas de energía son redes extremadamente compli-cadas que pueden estar geográficamente repartidas en áreas muy grandes. En su mayor parte, que también son redes trifásicas, cada circuito de fuerza consta de tres conductores y todos los dispositivos tales como generadores, transfor-madores, interruptores, y desconectadores, etc. están instal-ados en tres fases.

Estos sistemas pueden ser tan complejos que un diagrama convencional mostrando todas las conexiones es poco prácti-co. Cuando este es el caso, el uso de un diagrama de una línea es una forma concisa de comunicación al componente del sistema de potencia. La Figura 2-19 muestra un diagrama de una sola línea de un sistema de distribución. Estos tipos de diagramas son también llamados “power-riser” .


1. What is the main purpose of a wiring diagram? 2. In addition to numbers, what other method can be

used to identify wires on a wiring diagram? 3. What role can a wiring diagram play in the trou-

bleshooting of a motor control circuit? 4. List the pieces of information most likely to be

found in the conduit and cable schedule for a motor installation.

5. Explain the purpose of using a motor wiring dia-gram in conjunction with a ladder diagram of the control circuit.

6. What is the main purpose of a single-line diagram?

7. What is the main purpose of a block diagram? 8.Explain the function of the rectifier and inverter blocks of a variable-frequency AC drive.


Inverter3-phasevariable

voltage/frequencyAC output

DC3-phase60-Hz

AC input

Rectifier Motor

Figure 2-20 Block diagram of a variable-frequency AC drive. Photo courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.


Diagramas de bloquesUn diagrama de bloques representa las principales partes funcionales de sistemas eléctricos/electrónicos complejos por bloques en vez de símbolos. Los componentes individuales y los cables no se m uestran. En cambio, cada bloque repre-senta los circuitos eléctricos que cumplen funciones especí-ficas en el sistema. Las funciones que realizan los circuitos están escritos en cada bloque. Las flechas que conectan los bloques indican la dirección general de la corriente.La figura 2-20 muestra un diagrama de bloques de un vari-ador de frecuencia para motores de CA. Un variador de fre-cuencia controla la velocidad de un motor de CA mediante la variación de la frecuencia suministrada al motor. La unidad también regula la tensión de salida en relación a la frecuencia de salida para proporcionar una relación constante (Voltios por Hertz; V / Hz) de tensión a frecuencia, como sea requerido por el motor de corriente alterna para producir un adecuado par de torsión. La función de cada bloque se resume como sigue:• 60-Hz Trifásicos son suministrados al bloque del rectifi-cador.

• El Bloque rectificador es un circuito que convierte o rectifi-ca la tensión trifásica en ten-sión de DC.• El Bloque inversor es un circuito que invierte, o convierte, voltaje de entrada de DC tensión alterna. El inversor se compone de interruptores electrónicos, que cambian el voltaje DC inter-mitente para producir una salida controlable de ali-mentación de CA en la frecuencia y la tensión deseada.

PARTE 3 Conexiones de Motor

Clasificación de los motores.

Los motores eléctricos han sido un elemento im-portante de nues-tra economía industrial y comercial desde hace más de un siglo. La mayoría de las máquinas industriales usadas en la actualidad son impulsadas por motores eléctricos.

Las industrias dejarían de funcionar sin el apropiado diseño, in-stalación y mantenimiento de un sistema de control. En general, los motores están clasificados de acuerdo con el tipo de corriente utilizada (AC o DC) y el motor de principio de funcionamiento. El “árbol genealógico” de los tipos de motor es bastante exten-so, como se muestra en la parte superior de la página siguiente.


PART 3 Motor Terminal Connections 25

F1Shunt field

F2

S1Series field

S2

A1

Armature

A2Arm.

Figure 2-21 Parts of a DC compound motor. Photo © Baldor Electric Company. Reprinted with their permission. Photo Baldor, www.baldor.com.

DCMotores

Imán permanenteDevanado SerieDevanado ShuntDevanado Compuesto

Universal

Monofásico Inducción

Rotordevanado

Jaula deArdilla

Fase partidaArranque con CapacitorFase partida con Capacitor Arranque con polos de Sombra

RepulsiónArranque-RepulsionRepulsion Inducción

Síncrono

Síncronos

Induction

Jaula deardilla

Design ADesign BDesign CDesign DDesign F

Rotordevanado

HisteresisReluctanciaImán Permanente

Polifásicos

ACMotores


En Estados Unidos, el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), establece las normas para pruebas de motor y metodologías de prueba, mientras que la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) prepara las normas para el rendimiento del motor y las clasi-ficaciones. Además, los motores se instalarán de acuerdo con Artículo 430 del Código Eléctrico Nacional (NEC).

Conexiones del Motor DC

Aplicaciones industriales utilizan motores de DC debido a la relación par- velocidad pueden variar fácilmente. Los motores de DC en velocidad, pueden ser controlados sin problemas a velocidad cero, seguido inmediatamente por una aceleración en la dirección opuesta. En situaciones de emergencia, motores de corriente continua pueden proporcionar un torque de hasta cinco veces sin pérdidas. El frenado dinámico (la energía generada por el motor DC se alimenta a una rejil-la de resistores) o frenado regenerativo (la energía generada por el mo-tor DC es retroalimentado) se puede obtener con motores de corriente continua en aplicaciones que requieren paradas rápidas, eliminando así la necesidad de un freno mecánico.La figura 2-21 muestra los símbolos que se utilizan para identificar las partes básicas de un motor compuesto de corriente directa (DC).

La parte giratoria del motor se conoce como la armadu-ra; la parte estacionaria del motor se conoce como el estator, que contiene el devanado de campo en serie y en derivación. En máquinas de DC A1 y A2 siempre indican los conductores de inducido, S1 y S2 indican el devanado enserie lleva, Fl y F2 indica el campo en derivación.

Es el tipo de excitación de campo que distingue unmotor de corriente continua de otro, la construcción de la armadura no tiene nada que ver con la clasificación del motor. Hay tres tipos generales de motores de CD, clasificados de acuerdo con el devanado de excitación de la siguiente manera:



AA1L1 L2A2 S1 S2

Counterclockwise

F1-A1 A2-S1Line 1

F2-S2Line 2Tie

Clockwise

F1-A2 A1-S1Line 1

S2-F2Line 2Tie

F1 F2

AA2L1 L2A1 S1 S2

F1 F2

L1L2

Figure 2-24 Standard DC compound (cumulative) motor connections for counterclock-wise and clockwise rotation. For differential compound connection, reverse S1 and S2.

AA1L1 L2A2 S1 S2

Counterclockwise

A1 A2-S1Line 1

S2Line 2Tie

AA2L1 L2A1 S1 S2

Clockwise

A2 A1-S1Line 1

S2Line 2Tie

L1L2

Figure 2-23 Standard DC series motor connections for counterclockwise andclockwise rotation.

L2 L1

AA1L1 L2A2

F1 F2

AA2L1 L2A1

F1 F2

Clockwise

F1-A2 F2-A1Line 1 Line 2

Counterclockwise

F1-A1 F2-A2Line 1 Line 2

Figure 2-22 Standard DC shunt motor connections forcounterclockwise and clockwise rotation.


Motor en Derivación (Figura2-22) utiliza un devanado de campo de alta resistencia, formado de muchas vueltas de alambre fi-no, conectado en paralelo (Shunt) con la armadura.

Motor en Serie (Figura2-23) utiliza un devanado de campo en serie, compuesto por muy pocas vueltas de alambre grueso, conectado en serie con el inducido.

Motor DC Compuesto (Figura2-24) utiliza una combinación de campo shunt (muchas vueltas de alambre fino) en paralelo con el campo inducido, y en serie (pocas vueltas de alambre grueso) en serie con el inducido.

Todas las conexiones se muestran en las figuras 2-22, 2-23 y 2-24 para un giro a la izquierda y hacia la derecha de frente al extremo opuesto de la unidad (conmutador final).


Enclosure

Stator

Rotor

Figure 2-25 Three-phase squirrel-cage AC induction motor. Drawing courtesy Siemens, www.siemens.com.

Startingwinding

RotorT1

T1 T2

T2

Opens on run Internal wiring diagram

Closed on start

Mainwinding

Symbol

Motor

Centrifugalswitch

Startingwinding

Mainwinding

Squirrel-cage rotorMotor statorSplit-phasemotor

Figure 2-26 AC split-phase induction motor. Photo courtesy Grainger, www.grainger.com.


Uno de los propósitos de marcar las terminales de los motores de acuerdo a estándares, es para ayudar en las conexiones cuando se requiere una dirección de rotación predecible. Este puede ser el caso cuando la rotación incorrecta pueda resultar en situaciones de peli-gro o daños. Marcar terminales se utiliza normalmente para etique-tar sólo los terminales de las conexiones que deben realizarse desde circuitos externos.El sentido de giro de un motor de DC depende de la dirección del campo magnético y la dirección de la corriente en la armadura. Si la dirección del campo o la dirección del flujo de corriente a través de la armadura se invierten, la rotación del motor se invertirá. Sin em-bargo, si ambos de estos factores se invierten al mismo tiempo, el motor continuará girando en la misma dirección.

Conexiones del Motor AC

El motor de inducción AC es la tecnología dominante de uso hoy en día, lo que representa más del 90 por ciento de motores instala-dos. Los motores de inducción están disponibles en configuraciones monofásicas (1φ) y trifásicos (3φ), en tamaños que van desde frac-ciones de HP a decenas de miles de HP. Pueden girar a velocidades de más de 900, 1.200, 1.800 o 3.600 rpm, o equipado con una unidad de velocidad ajustable.

Los motores de corriente alterna más comúnmente utilizados son los de jaula de ardilla (Figura 2-25), llamado así debido al aluminio o cobre de jaula de ardilla incrustada dentro del hierro laminado del rotor. No conexión física eléctrica a la jaula de ardilla. La corriente en el rotor es inducida por el campo magnético giratorio del estator.

Modelos de rotor bobinado, en el que las bobinas de alambre están devanadas en el rotor, también están disponibles. Estos son caros, pero ofrecen un mayor control de las características de rendimiento del motor, por lo que se utilizan con mayor fre-cuencia para un par especial, aplicaciones aceleración y para aplicaciones de velocidad ajustable.

Conexiones de motor monofásico

La mayoría de los motores monofásicos de inducción CA son construidos en tamaños de potencia fraccionaria de 120V a 240V, a una frecuencia de 60 Hz. Aunque hay varios tipos de los mo-tores monofásicos que son básicamente idénticos, excepto los de fase partida. El “motor de fase partida” es ampliamente uti-lizado para arranque de aplicaciones medianas (Figura 2-26). La operación del motor de fase partida se resume como sigue:

• El motor tiene un devanado principal de arranque que se ac-tiva cuando se inicia el motor.

http://www.siemens.com

http://www.grainger.com


Typical nameplateconnection diagram

T3 T2 T5

T4

T6

L2

T1

L1

T5 T6

T3 T4

T1

L1 L2

T5

T2

120 V 240 V

For reverse rotationinterchange T5 and T6

Runningwinding

Centrifugalswitch

Startingwinding

Low-voltage connection High-voltage connection

R R

L1

L2

L1

L2

120 V 240 V

Figure 2-27 Dual-voltage split-phase motor stator connections.


• El devanado de fase partida produce una diferencia de fase paraarrancar el motor y se desconecta mediante un interruptor cen-trífugo mientras se alcanza la velocidad. Cuando el motor alcanzaaproximadamente el 75% de su velocidad nominal a plena carga,el devanado de arranque se desconecta del circuito .

• Los tamaños del motor de fase partida llegan alrededor de ½caballo de fuerza . Las aplicaciones más populares incluyen venti-ladores, sopladores, aparatos electrodomésticos tales como lavadorasy secadoras, y herramientas como pequeñas sierras o taladros, endonde la carga se aplica después de que el motor se haya obtenidosu velocidad nominal.

• El motor puede ser revertido mediante la inversión de loscables del devanado de arranque o devanado principal, pero no aambos. En general, el estándar es invertir el devanado de arranque.

En un motor de fase partida de doble voltaje (Figura 2-27), el de-vanado de trabajo se divide en dos secciones y pueden serconectados para operar desde una fuente de 120 V o 240 V . Losdevanados de ejecución están conectados en serie cuando se operadesde una fuente de 240 V, y en paralelo para la operación a 120V . El devanado de arranque está conectado a través de las líneasde suministro de baja tensión y en una línea con el punto medio delos bobinados de alto voltaje. Esto asegura que todos los devana-dos están diseñados para funcionar a 120 V.

Para invertir el sentido de giro de un motor de fase partida de doble voltaje, se intercambian los dos cables del devanado de arranque. Los motores de doble voltaje están conectados a la tensión deseada siguiendo el esquema de conexiones de la placa.

El voltaje nominal del motor de fase partida nominal es 120/240 V. Para cualquier tipo de motor de doble voltaje, es preferible elegir la mayor tensión cuando la elección entre las tensiones es disponible. El motor utiliza la misma cantidad de energía y produce la misma cantidad de caballos de fuerza cuando opera desde un suministro de 120 V o 240 V. Sin embargo, como el voltaje se duplica de 120 V a 240 V, la corriente se reduce a la mitad. Trabajando al motor en este nivel reducido permite utilizar conductores más pequeños en el circuito y reduce las pérdidas de potencia de línea.

Muchos motores monofásicos utilizan un condensador en se-rie con un devanado del estator para optimizar la diferencia de fase entre devanados de arranque y devanados de trabajo. El resultado es un par de arranque más elevado que un motor de fase partida. Hay tres tipos de motores con capacitor: Capaci-tor de arranque, en la que la fase de condensador está en el circuito durante el arranque; capacitor de división permanente, en el que las fases de los condensadores en el circuito arranca el motor, y condensador de dos valores, en el que existen difer-entes valores de capacitancia para iniciar y trabajo. El motor de capacitor permanente, ilustrado en la Figura 2-28, utiliza un condensador conectado permanentemente en serie con uno de los devanados del estator. Este diseño es de más bajo costo que los motores de arranque por capacitor que incorporan sis-temas de conmutación de condensadores.


CONEXIONES DE MOTOR MULTIVELOCIDAD

Algunos motores trifásicos, conocidos como motores multive-locidad, están diseñados para proporcionar dos gamas de veloci-dad separada. La velocidad de un motor de inducción depende del número de polos construidos en el motor y la frecuencia de la energía eléctrica suministrada. Cambiar del número de polos pro-porciona velocidades específicas que se corresponden con el número de polos seleccionados. Más polos por fase, más lenta será la velocidad de funcionamiento del motor.

RPM= 120 x ( Frecuencia/ N Polos)

Los motores de dos velocidades con bobinados individuales pueden ser reconectados, utilizando un controlador, para obtener diferentes velocidades. El controlador de circuitos sirve para cambiar las conexiones de los devanados del estator. Estos mo-tores son bobinados para una velocidad pero cuando la bobina se vuelve a conectar, el número de polos magnéticos dentro del esta-tor se duplica y la velocidad del motor se reduce a la mitad de la velocidad original. Este tipo de conexión no debe ser confun-dida con la reconexión de motores trifásicos de doble voltaje. En el caso de varias velocidades, los resultados de re-conexión resultan en diferentes números de polos magnéticos. Hay tres tipos de devanado para motores de dos velocidades: caballos de fuerza constantes, par constante, y par variable.

Motor

T1T2

T3

T1 T2 T3

Symbol

PhaseA Phase

BPhase

C

Wye (Y) configuration

T1T2T3

PhaseAPhase

B

PhaseC

Delta (!) configuration

Figure 2-29 Three-phase wye and delta motor connections. Photo courtesy Leeson, www.leeson.com.

L1

L2

Capacitor

Rotor

Figure 2-28 Permanent-split capacitor motor. Photo © Baldor Electric Company. Reprinted with their permission.Photo Baldor, www.baldor.com.


Las instalaciones incluyen compresores, bombas, máquinas her-ramientas, aires acondicionados, ventiladores, cintas transportado-ras, ventiladores, y otras aplicaciones de difícil arranque.

CONEXIÓN DE MOTORES TRIFÁSICOS.

El motor trifásico de inducción de CA es motor más usado en aplicaciones comerciales e industriales. Los motores de mayor potencia monofásicos normalmente no son utilizados porque son ineficientes en comparación con motores trifásicos. Además, los motores monofásicos no son auto-arrancables en sus devanados de trabajo, como son los motores trifásicos.Motores de CA de gran potencia son generalmente de trifásicos. Todos los motores trifásicos están construidos internamente con un número de bobinas enrolladas individualmente. Independiente-mente de la forma de las bobinas, las bobinas individuales siempre se conectan entre sí (serie o paralelo) para producir tres devanados distintos, que se conocen como fase A, fase B y fase C. Todos los motores trifásicos están conectados de manera que las fases están configurados en estrella (Y) o delta (Δ), como se ilustra en la figu-ra 2-29.

CONEXIONES DE MOTOR DE DOBLE VOLTAJE

Es común la fabricación de motores trifásicos que pueden conec-tarse para funcionar a diferentes niveles de voltaje. La clasificación de tensión más común para motores trifásico es 208/230/460 V. Compruebe siempre las especificaciones de la placa de datos del motor o la clasificación de voltaje y diagrama de cableado para la conexión a la fuente de alimentación.La Figura 2-30 ilustra la tabla típica de conexiones de terminales e identificación para nueve cables, para conectar un motor trifásico. Un extremo de cada fase está internamente conectado de forma permanente a las otras fases. Cada bobina de fase (A, B, C) se divide en dos partes iguales y conectadas según sea el caso: en serie para alto voltaje y en paralelo para operación en bajo voltaje. Según la Nomenclatura NEMA, estos cables están marcados de T1 a T9. Las conexiones de alta tensión y baja tensión son dadas en la tabla de conexiones y en la placa de datos.El mismo principio ya sea en serie (alta tensión) o paralelo

(baja tensión) se aplica para los bobinados en estrella y delta de motores trifásicos. En cualquiera de los casos, asegurar una conexión adecuada para el nivel de tensión deseado.

http://www.leeson.com



Figure 2-31 Constant-horsepower two-speed, three-phase motor and controller.

Connection table

Motor windings

T4

T1

T6T5

T3

T2

Speed Line wires

Low T1-T2-T3

T4-T5-T6High

Tie together

T4-T5-T6

–––––––

Windingconnection

2-parallel Y

Series ! T5

OL

LL

H

T4

OL

H

T6

OL

H

T3Typical controller wiring diagram

OL

L

T2

OL

L

T1

OL

L

L1

Stop HighLow

High

54

2 3

1 H

H

H

L

L

L OL OL

L2

L3

Figure 2-30 Dual-voltage wye connections.

High-voltageconnections

Low-voltageconnections

Connection table

Voltage L1 L2 L3 Tie together

Low 1-7 2-8 3-9 4-5-6

High 1 2 3 4-7, 5-8, 6-9

T6

T9

T5

T8

T4

T7

T3

L3

T2

L2

T1

L1

T6 T5 T4

T9

T3

T8

T2

T7

T1

L3 L2 L1

T1

T4

T7

T8T9T6 T5

T2T3

A

A

B

BC

C

Low-voltageWye connection

High-voltageWye connection


Un estándar en la práctica es intercambiar L1 y L3, como se ilustra en la Figura 2-32. Cuando se conecta un motor, la di-rección de rotación es por lo general desconocida hasta que se inicie el motor. En este caso, el motor puede estar conectado temporalmente para determinar la dirección de giro antes de hacer conexiones permanentes.

La figura 2-31 muestra las conexiones para caballos de fuerza constantes de un motor trifásico de dos velocidades y el contro-lador. Para invertir la dirección de rotación de cualquier motor trifásico ya sea en estrella o delta, simplemente intercambie dos de los tres cables de alimentación principal al motor.



1. In what two general ways are motors classified? 2. List three major organizations involved with motor

standards and installation requirements in theUnited States.

3. What two DC motor operating features make themuseful for industrial applications?

4. What part of a DC motor is identified by each of thefollowing lead designations?a. A1 and A2 b. S1 and S2 c. F1 and F2

5. List the three general types of DC motors. 6. What two factors determine the direction of rotation

of a DC motor? 7. In what phase configurations are AC induction

motors available? 8. What terms are used to identify the rotating and

stationary parts of an AC induction motor? 9. Describe the construction of and external electrical

connection to the squirrel-cage rotor used in ACinduction motors.

T2L2L1L3

T1T3

Forward

T2L2L1L3

T1T3

Reverse

MotorMotor

Figure 2-32 Reversing the direction of rotation of a three-phase motor.

Figure 2-33 Inverter duty motor. Courtesy Adlee Powertronic, Ltd., www.adlee.com.


En ciertas aplicaciones una inversión del giro del motor puede causardaños graves. Cuando este es el caso, relés de fallo de fase y relésde inversión de fase, se utilizan para proteger motores, máquinas yel personal de peligros de las condiciones de fase abierta o de faseinversa. La velocidad de un motor de inducción AC depende de dos factores:el número de polos del motor y la frecuencia de la tensión aplicada.

En los variadores de frecuencia, la velocidad variable de un motorde inducción se logra mediante la variación de la frecuencia dela tensión aplicada al motor. Cuanto menor sea la frecuencia,más lento es el número de revoluciones de funcionamiento delmotor. Motores de inducción estándar pueden afectados cuan-do son operados por variadores de frecuencia. “Inversor deTrabajo” e “Inversor de Vector” describe una clase de motoresque son capaces de la operación de un controlador de frecuen-cia variable. Con el aumento de temperatura en este tipo demotores se emplean mejores sistemas de aislamiento, materialadicional (hierro y cobre), o ventiladores externos para unamejor refrigeración en funcionamiento a baja velocidad.

Un tipo de inversor de motor se muestra en la figura 2-33.Parte de este diseño particular incluye un ventilador de refrig-eración independiente para enfriar el motor de manera que sepuede operar en un amplio rango de velocidades sin ningúnproblema de calentamiento.

http://www.adlee.com


AC Motor

Manufacturer

Thermally Protected

Style SerialFrame TypeHP Ph HousingRPMCycles

VoltsAmps Code

Hours

ServiceFactor

S.F.Amps

Deg CRise

Type

Figure 2-34 Typical motor nameplate.

10. Outline the starting sequence of a split-phase motor. 11. Assume the direction of rotation of a split-phase

motor needs to be reversed. How is this done? 12. A dual-voltage split-phase motor is to be connected

for the lower voltage. What connection of the tworun windings would be used?

13. You have the option of operating a dual-voltage motorat either the high or the low voltage level. What are theadvantages of operating it at the high voltage level?

14. What is the main advantage of the capacitor motorover the standard split-phase type?

15. How are the three distinct windings of a three-phasemotor identified?

16. Large horsepower AC motors are usually three-phase. Why?

17. What two basic configurations are used for theconnection of all three-phase motors?

18. According to NEMA nomenclature, how are the leadsof a nine-lead dual-voltage three-phase motor labeled?

19. State the relationship between the speed of a three-phase induction motor and the number of poles perphase.

20. Assume the direction of rotation of a three-phasemotor needs to be reversed. How is this done?

21. State the relationship between the speed of a three-phase induction motor and the frequency of thepower source.

22. Why should inverter-duty AC induction motors beused in conjunction with variable-frequency motordrives?


PARTE 4 PLACA DE DATOS Y TERMINOLOGÍA

La placa de datos (Figura 2-34) contiene información importanteacerca de la conexión utilizada para el motor. Un importante partede en la fabricación de motores intercambiables es asegurar 1ue lainformación de la placa de datos es común entre los fabricantes.

INFORMACIÓN DE LA PLACA REQUERIDA NEC

FABRICANTE DE MOTOREsto incluirá el nombre y logotipo del fabricante junto con los números de catálogo, números de piezas y modelos números uti-lizados para identificar un motor. Cada fabricante utiliza un sis-tema único de codificación.

NIVEL DE TENSIÓNEl nivel de tensión se abrevia V en la placa de datos de un motor. Se indica la tensión a la cual el motor está diseñado para operar. La tensión de un motor suele estar determinada por el suministro a la que se conecta. NEMA exige que el motor sea capaz de llegar a su potencia nominal y voltaje nominal ± 10 porciento, aunque no necesariamente en aumento de la temperatura nominal. Por lo tanto, un motor con tensión nominal de 460 V debe operar con éxito entre 414 V y 506 V.

La tensión puede ser una sola clasificación como 115 V o, para motores de doble voltaje, una clasificación dual como 115 V/230 V. La mayoría de los motores 115/230-V son enviados desde la fábrica a 230 V. Un motor conectado a 230V que está conectado para 115 V inmediatamente se quemará. Un motor que está conec-tado para 230 V que se le aplica 115 V trabajará a baja velocidad y se calentará.

Tensiones estándar NEMA para motores:

Motores monofásicos: 115, 230, 115/230, 277, 460, y 230/460V Motores trifásicos hasta 125 HP: 208, 230, 460, 230/460, 575,2300, y 4000 V Motores trifásicos por encima de 125 HP: 460, 575, 2300, y4,000 V

Cuando se trata de motores, es importante distinguir entre latensión nominal y las tensiones de la placa de datos.

PART 4 Motor Nameplate and Terminology 33

Nominal system voltage Nameplate voltage

120 V 115 V

208 V 200 V

240 V 230 V

480 V 460 V

600 V 575 V

2,400 V 2,300 V

4,160 V 4,000 V

6,900 V 6,600 V

NEMA classificationMaximum operating

temperatures

A 221° F (105° C)

B 226° F (130° C)

F 311° F (155° C)

H 356° F (180° C)


Diferencia entre los datos de placa y la tensión nominal:

VALOR DE CORRIENTEEl valor de corriente en la placa de datos del motor se abreviaA o AMPS. El valor de corriente en la placa de datos es el valor de corriente a nominal, tensión nominal y la frecuencianominal. Los motores no son diseñados para corriente nominal menor al dato de la placa. Del mismo modo, los motores que están diseñados para trabajar por encima de la corriente nomi-nal especificada en la placa de datos. Los motores que operan adoble voltaje también tienen dos niveles de corriente. Un motor de doble voltaje que opera a alto voltaje tendrá una corriente baja. Por ejemplo, un motor de ½ hp a 115/230 V y 7.4/3.7 A tendrá una corriente nominal de 3,7 A cuando se opera a 230 V.

FRECUENCIA DE LINEAEl valor de la frecuencia de línea de un motor se abrevia en laplaca de datos como CY o CYC (ciclo), o Hz (Herz). Un ciclo es una onda completa de la corriente alterna o tensión. Hertz es la unidad de frecuencia y es igual al número de ciclos por segundo. En los Estados Unidos, 60 ciclos / segundo (Hz) es el estándar, mientras que 50 Hz (ciclos) es más común.

CLASIFICACIÓN POR FASELa calificación de la fase de un motor se abrevia en la placa de características como PH. La fase aparece como corriente con-tinua (DC), corriente alterna monofásica (1φAC) o corriente al-terna trifásica (3φAC).

VELOCIDAD DEL MOTORLa velocidad nominal del motor indicada en la placa de datos se da en revoluciones por minuto (rpm). Esta velocidad nominal del motor no es la velocidad de funcionamiento exacto, pero lavelocidad aproximada en la que un motor gira cuando trabajade acuerdo a la potencia. El número de polos en el motor y la frecuencia de la tensión de alimentación determina la velocidad de un motor de CA.La velocidad de un motor de DC está determinada por el valor de la tensión y la corriente de campo.

TEMPERATURA AMBIENTEEl rango de temperatura ambiente de un motor es abreviado como AMD o DEG en la placa de datos de un motor. La tem-peratura ambiente la temperatura del aire alrededor el motor. En general, la temperatura ambiente máxima para los motores es 40 °C o 104 °F a menos que el motor este específicamente diseñado para una temperatura diferente, se indica en su placa de datos.

Los motores funcionando a plena carga o cerca de la plena carga presentarán reducción de la vida en caso de operar a temperaturas ambiente por encima de su diseño. Si la temper-atura ambiente es superior a 104 °F, un motor de alta potencia o un motor especial debe ser utilizado para operación a tem-peraturas más elevadas.

AUMENTO DE TEMPERATURAEl Aumento de la temperatura admisible en un motor se abre-via Deg.C/Rise en la placa de datos. Esto indica que la tem-peratura del devanado del motor, se incrementará por encima de la temperatura ambiente debido a la corriente del motor a plena carga. También puede indicar el valor, en el cual un mo-tor puede operar a temperaturas altas.

CLASE DE AISLAMIENTOEl aislamiento del motor impide que los devanados se cortocircuiten uno a otro o tengan contacto con el estator. El tipo de aislamiento utilizado en un motor depende de la tem-peratura a la cual vaya a operar el motor. En tanto incremente la temperatura del motor más allá de los valores nominales del aislamiento, la vida del aislamiento será más corta. Las clases de aislamiento del estándar NEMA vienen desig-nados por letras acuerdo con la máxima calificación de la temperatura. Un motor de repuesto debe tener la misma clase de aislamiento o una calificación más alta que la temperatura motor al que sustituye. Las cuatro principales clasificaciones NEMA de aislamiento de motor son las siguientes:


Code

ABCDEFGHJK

LMNPRSTUV

9.0–9.99 10.0–11.1911.2–12.4912.5–13.9914.0–15.9916.0–17.9918.0–19.9920.0–22.3922.4 & Up

0–3.143.15–3.543.55–3.994.0–4.494.5–4.995.0–5.595.6–6.296.3–7.097.1–7.998.0–8.99

kVA/hp Code kVA/hp

Code Letters


CICLO DE TRABAJO

El ciclo de trabajo se muestra en la placa del motor como DUTY, CICLO DE SERVICIO o TIEMPO DE EVALUACIÓN. Los motores están clasificados de acuerdo a la cantidad de tiempo de espera para operar a plena carga, ya sea como un servicio continuo o intermitente. Ciclo de trabajo nominal en un motor es identificado como CONT en la placa, mientras que el ciclo de trabajo intermitente se identifica como INTER en la placa.Motores de servicio continuo son adecuados para funcionar continuamente sin ningún daño o reducción en la vida del motor. Motores de uso general son normalmente para servicio continuo. Motores de servicio intermitentes son valorados para funcionar continuamente sólo en períodos cortos de tiempo y luego se debe parar y enfriar antes de reiniciar.

POTENCIA NOMINAL

La potencia nominal del motor se abrevia en la placa de características como HP. Los motores por debajo de 1 caballo de fuerza son denominados motores de potencia fraccionaria y motores 1 caballo de fuerza y por encima se denominan ca-ballos de fuerza integrales. La designación HP es una medida a plena carga fuera de la flecha del motor, que puede producir sin reducción de la vida útil. NEMA tiene ya establecidas clasificaciones estándar de potencia de motores de 1 hp a 450 hp.Algunos motores de potencia fraccionaria pequeños se clasifi-can en Watts (1 HP = 746 W). Los motores en el estándar de Comisión Internacional de Electrotécnica (IEC) son asignados en kilowatts (kW). Cuando una aplicación requiere una potencia que esta entre dos tamaños, el tamaño más grande es elegido para proporcionar la potencia adecuada para operar la carga.

LETRA DE CÓDIGOUn carácter alfabético se utiliza para indicar la Letra Código NEC de un motor. Cuando los motores de CA se ponen en marcha a tensión plena, la corriente describe una gráfica “avalancha” o “de rotor bloqueado” sustancialmente mayor que su carga nominal. El valor de esta alta corriente se utiliza para determi-nar el valor del disyuntor y fusibles, de acuerdo con los requi-sitos del NEC. Además, la corriente de arranque puede ser im-portante en algunas instalaciones donde corrientes de arranque altas pueden causar una caída de tensión que podría afectar a otros equipos.Los motores están equipados con un código de letras en el nombre de la placa que designa la calificación de rotor bloqueado del motor en kilovolts-ampers (kVA) por caballo de fuerza en la placa de datos. Las letras de código de la A a la V se enumer-an en el artículo 430 de la Código Eléctrico Nacional. Como un ejemplo, una calificación M permite 10.0-11.19 kVA por caballo de fuerza.

LETRA DE DISEÑOLa letra de diseño es una indicación de la forma de la curva de par-velocidad. Las letras de diseño más comunes son A, B, C, D, y E.Diseño B es el motor industrial de servicio estándar, que tiene par de arranque razonable con corriente de arranque moderado y es apto para la mayoría de aplicaciones industriales.

INFORMACIÓN OPCIONAL DE LA PLACA

FACTOR DE SERVICIO

Factor de servicio (SF abreviado en la placa de datos) es un multiplicador que se aplica a caballos de fuerza normales del motor para indicar un aumento de la potencia de salida (o ca-pacidad de sobrecarga) que el motor es capaz de proporcionar bajo ciertas condiciones. Por ejemplo, un motor de 10 HP con un factor de servicio 1,25 desarrolla con seguridad el 125 por ciento de la potencia nominal, o 12,5 HP. En general, el factor de servicio indica que un motor puede:• Manejar una sobrecarga ocasional.• Proporcionar un factor de seguridad en el medio ambiente o condiciones de servicio no está bien definida, especialmente para motores eléctricos de uso general.• Trabajar a una temperatura más baja de lo normal en carganominal, alargando así la vida del aislamiento.

Valores comunes de factor de servicio son 1.0, 1.15, y 1.25. Cuando la placa de datos no indica un factor de servicio, se supone que el factor de servicio de 1.0. En algunos casos lacorriente con un factor de servicio de carga también se indicaen la placa de datos como ampers del factor de servicio (SFA).

CARCASA DEL MOTORLa selección de una carcasa del motor depende de la temperatu-ra ambiente y de las condiciones del entorno. Las dos clasifi-caciones generales de carcasa de motores son abiertos y total-mente cerrado. Un motor abierto tiene aberturas de ventilación, que permiten el paso de aire exterior por encima y alrededor de los devanados del motor. Un motor totalmente cerrado se con-struye para impedir el libre intercambio de aire entre el interior y el parte exterior del armazón, pero no lo suficiente para ser encerrado herméticamente.

PART 4 Motor Nameplate and Terminology 35


TAMAÑO DEL ARMAZÓNSe refiere a un conjunto de dimensiones físicas de motores establecido por NEMA e IEC. El armazón incluye el tamaño físico, la construcción, las dimensiones y otras car-acterísticas físicas de un motor. Cuando se cambia un mo-tor, del mismo armazón sin importar el fabricante se asegu-ra el mecanismo de montaje y posiciones de los agujeros co-incidirán. Dimensionalmente, las normas NEMA se expre-san en Unidades inglesas y las normas IEC se expresan en unidades métricas. Normas IEC y NEMA usan códigos de letras para indicar dimensiones mecánicas específicas, más el número de código para el tamaño general del armazón.

EFICIENCIALa eficiencia se incluye en la placa de identificación de mu-chos motores. La eficiencia de un motor es una medida de la eficacia con la que el motor convierte la energía eléctrica en energía mecánica. La eficiencia del motor varía de la placa de datos en función del porcentaje de la carga nominal apli-cada al motor. La mayoría de los motores operan cerca de su máxima eficiencia a carga nominal.Los motores eficientes en energía, también llamados motores de calidad Premium o de alto rendimiento, son de 2 a 8 por ciento más eficiente que motores estándar. Los mo-tores califican como “ eficiencia energética “ si cumplen o sobrepasan los niveles de eficiencia que figuran en la publi-cación de NEMA MG1. Motores energéticamente eficientes deben su mayor rendimiento a las mejoras de diseño y tol-erancias de fabricación más exactos.

FACTOR DE POTENCIALas letras P.F. cuando están marcadas en la placa de datos de los motores refieren al factor de potencia. El valor del factor de potencia de un motor representa el factor de potencia del motor a carga nominal y voltaje nominal. Los motores son cargas inductivas y tienen factores de potencia menos de 1.0, por lo general entre 0.5 y 0.95, dependiendo de su tamaño. Un motor con un bajo factor de potencia de-manda más corriente, que un motor con la misma potencia pero con un alto factor de potencia. El factor de potencia de motores de inducción varía con la carga y disminuye signi-ficativamente cuando el motor se hace funcionar por debajo del 75 por ciento de la carga total.

PROTECCIÓN TÉRMICALa protección térmica, si se especifica en la placa del mo-tor, indica que el motor ha sido diseñado y fabricado con un dispositivo de protección térmica incorporado. Hay varios tipos de dispositivos de protección que se pueden construir en el motor y se utiliza para detectar el aumento de temper-atura (sobrecarga) y el flujo de corriente. Estos dispositivos desconectan el motor de la fuente de alimentación si de-tectan sobrecarga, para evitar daños en el aislamiento de los devanados del motor.

Los principales tipos de protectores térmicos incluyen dis-positivos de restablecimiento automático y manual que de-tectan cualquier corriente o temperatura. Con los dispositivos de restablecimiento automático, después de que el motor se enfría, este dispositivo eléctrico restaura automáticamente la alimentación al motor. Con los dispositivos de restablec-imiento manual, el dispositivo tiene un botón externo ubicado en la carcasa del motor que debe ser manualmente presionado para restaurar la energía al motor. La protección manual debe reestablecerse después de se enfría el motor, si se restablece inmediatamente puede causar daños al operador. Algunos motores de bajo costo no tienen protección térmica interna y dependen de la protección externa entre el motor y la fuente de alimentación por seguridad.

ESQUEMAS DE CONEXIÓNLos esquemas de conexión se encuentran en la placa de datos de algunos motores, o pueden estar situados dentro de la caja de conexiones o en una placa de conexión especial. Los diagramas indican las conexiones específicas para mo-tores de doble voltaje. Algunos motores pueden operar en cualquier dirección, dependiendo de las conexiones del mo-tor, esta información también se puede dar en la placa del fabricante.

GUÍA DE TÉRMINOS PARA MOTORESLa terminología es de suma importancia en la comprensión del control del motor eléctrico. Términos de control de mo-tores se enumeran a continuación. Cada uno de estos térmi-nos se discutirán a detalle, ya que se encuentran en el texto.

-A través de la línea, método de arranque del motor. Se conecta al motor directamente a la línea de alimentación para arrancar o funcionar. (llamado a tensión plena)-Arrancador automático, arrancador de acción automáti-ca. Completamente controlado por el interruptor general o piloto o algún otro dispositivo sensor.-Contacto auxiliar, dispositivo de contacto secundario además de los contactos del circuito principal. Operado por un contactor o arrancador.-Contactor, Un tipo de relé utilizado para la conmutación de la energía.-Jog, Operación momentánea. Pequeño movimiento de una máquina impulsada.-Corriente de rotor bloqueado, medida de la corriente con el rotor bloqueado a tensión y la frecuencia nominal.-Protección de baja tensión (LVP), de control magnético únicamente; sin arranque automático. Un control de tres hi-los. Un fallo de energía desconecta el servicio, cuando la energía necesita restaurarse, se requiere de reinicio manual.



-Bajo Voltaje de Liberación (LVR), control magnético única-mente de arranque automático. Control de dos hilos. Un falloenergía desconecta el servicio, cuando se restablece la energía,el controlador se reiniciará automáticamente.

-Contactor magnético, es un contactor que es operado electro-mecánicamente.

-Arrancador multivelocidad, controlador eléctrico con dos omás velocidades ( marcha atrás o sin inversión ) a voltaje plenoo reducido .

-Relé de sobrecarga, protección contra sobrecorriente. Funcionaante el exceso de corriente . No proporciona necesariamente laprotección contra un cortocircuito. Si se activa mantiene una in-terrupción de la fuente de alimentación al motor.

-Plugging, frenado mediante la rotación inversa. El motor desar-rolla una fuerza de retardo.

-Pussh Button, interruptor principal que es de botón utilizadopara accionar un dispositivo, montado en botoneras.

-Voltaje reducido de arranque, suministra una tensión reduci-da al motor durante el arranque .

-Relé, usado en circuitos de control y operado por un circuitoeléctrico para controlar un equipo en el mismo circuito o en otro.

-Control remoto, controla el arranque o cambio de undispositivo eléctrico en algún punto remoto.

-Interruptor selector, interruptor que tiene accionamientomanual, tiene la misma construcción que botones pulsadores,excepto que al girar acciona los contactos. La leva giratoriapuede estar dispuesta con índices incrementales, por lo que las posiciones se pueden utilizar para seleccionar las opera-ciones exclusivas.

-Deslizamiento, es la diferencia entre la velocidad real(motor rpm) y la velocidad síncrona ( rotación del campomagnético).

-Arrancador, controlador eléctrico utilizado para arrancar,parar y proteger el motor.

-Timer, dispositivo piloto, considerado como relé temporizado,provee un ajuste de tiempo para realizar su función. Puede ser accionado por un motor, solenoide o electrónicamente.

-Par, es la fuerza de torsión o giro que provoca movimientorotativo en un objeto. Hay dos tipos de par en motores, parde arranque y par nominal

PART 5 Manual and Magnetic Motor Starters 37

L3

T3

Overloadheaterelements

Contacts

L2

T2

L1

T1

Motor

Figure 2-35 Manual motor starter. Photo courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.

Coil

3

2

L3

T3

L2

T2

L1

T1

Figure 2-36 Typical three-phase, across-the-line (full-voltage) magnetic starter. Photo courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.


PARTE 5 ARRANCADORES MANUALES YMAGNÉTICOS

ARRANCADOR MANUALLos arrancadores manuales son una manera muy básica para el suministro de energía a un motor. Un circuito de control manual es aquel que requiere que el operador controle el motor directa-mente en la ubicación del arrancador. La figura 2-35 muestra un ejemplo de un circuito de control manual de arranque para motor trifásico.La línea de punteada a través de los contactos designa un arranque manual (como diferencia de un arrancador magnético). Los cables de alimentación (L1, L2, y L3) se conectan a la parte superior de los contactos, y los lados opuestos de los contactos están conectados a los elementos térmicos de sobrecarga. Las terminales (T1, T2, T3) se conectan al motor 3φ.Los arrancadores manuales son operados por mecanismos de ini-cio / paro situados en la parte frontal de la carcasa del arran-cador. El mecanismo de arranque / paro mueve los tres contactos a la vez para cerrar (inicio) o abierto (paro) el circuito al motor. El Código Eléctrico Nacional exige que un motor de arranque no sólo encienda y apague el motor, sino también lo proteja de sobrecargas. Los tres dispositivos térmicos de sobrecarga están instalados para abrir mecánicamente los contactos del arrancador cuando una condición de sobrecarga es detectada. Arrancadores manuales de tres fases se utilizan en aplicaciones de baja poten-cia tales como taladro prensas y sierras de mesa donde el control remoto no es necesario.

ARRANCADOR MAGNÉTICOLos arrancadores magnéticos permiten que un motor sea con-trolado desde cualquier ubicación . La figura 2-36 muestra un arrancador trifásico sobre la línea ( a plena tensión ).

Las terminales de línea, terminales de carga, bobina de arran-cador del motor, relés de sobrecarga y contactos auxiliares son mostrados. Cuando la bobina del arrancador es energizada, los tres contactos principales y así como los contactos auxiliares cierran. Si se produce una condición de sobrecarga, el relé de sobre carga OL abrirá. Además del circuito de fuerza, el fab-ricante proporciona algún circuito de control. En este caso, el circuito de control precableado consta de dos conexiones a la bobina de arranque. Uno de los lados de la bobina de arranque se conecta al relé de sobrecarga y el otro lado al contacto pro-pio.Circuitos de control magnéticos se dividen en dos tipos bási-cos: el circuito de control de dos hilos, y el circuito de control de tres hilos. Circuitos de control de dos hilos están diseñados para arrancar o detener el motor cuando un dispositivo de con-trol remoto, como un termostato o presóstato se activa o desac-tiva. La figura 2-37 muestra un control típico de dos hilos. Se debe tener en cuenta que el circuito sólo tiene dos cables que conducen desde el dispositivo de control hacia el arrancador magnético. El arrancador opera automáticamente en respuesta al estado del dispositivo de control, sin la ayuda de un oper-ador. Cuando los contactos del dispositivo de control cierran, la corriente es suministrada a la bobina de arranque, provocando que se energice. Como resultado, el motor ese conectará a la línea mediante los contactos de fuerza. La bobina de arranque se desactiva cuando los contactos abren, apagando el motor.Los sistemas de control de dos hilos proporcionan, un bajo voltaje pero no protección de bajo voltaje. Usan un tipo de control de contacto mantenido en vez de un contacto momentáneo. Si el motor se detiene por una interrupción de energía, el arrancador desenergiza (bajo voltaje), pero también se energiza cuando el circuito de fuerza es restaurado.La protección de baja tensión no está proporcionada, ya que no hay manera de que el operador sea protegido de forma au-tomática una vez que el circuito de fuerza haya sido restable-cido.





StartStop OL

L1 L2

M

2 3

M(holding contact)

L3

T3

L2Wiring diagram

Start

Stop T2

L1

T1

M

M

3

1

1

M

OL

2

Three wires

Motor

Figure 2-38 Three-wire control circuit. This material and associated copyrights are proprietary to, and used with the permission of Schneider Electric.

Remote pressurecontrol switch

L3

T3

L2Wiring diagramTwo wires

T2

L1

T1

M

M

3

1

M

OL

2

MOL31

L1 L2

Switch


Motor

Figure 2-37 Two-wire control circuit. Photo courtesy Honeywell, www.honeywell.com.


Los circuitos de control de dos hilos se utilizan para operar automáticamente maquinas donde la característica de arranque automático es conveniente y no hay peligro de que las personas resulten lastimadas si el equipo repentinamente inicia después de una falla. Las bombas de succión y compresores de refrigeración son dos aplicaciones comunes para sistemas de control de dos hilos.

El control mediante tres hilos ofrece protección de bajo voltaje. El arrancador sale de operación cuando hay un fallo de tensión, pero no opera automáticamente cuando la tensión se restablece. El control por tres hilos utiliza un dispositivo de contacto momentáneo y un circuito de retención para proporcionar la protección de fallo de alimentación. La figura 2-38 muestra un circuito de control de tres hilos típico. El funcionamiento del circuito se puede resumir de la siguiente manera:

• Tres cables operan desde la estación de inicio / paro hacía el arrancador.• El circuito utiliza contactos normalmente cerrados (NC) en serie, en combinación de un contacto normalmente abierto (NO) y la bobina (M).• Cuando se presiona momentáneamente el botón de arranque, voltaje de la línea es aplicadi a la bobina de arranque.• Los tres contactos principales M cierran aplicando tensión al motor.

• El contacto auxiliar M se cierra para establecer un circuitoalrededor del botón de inicio.• Al soltar el botón de arranque, la bobina permanece energizadapor el contacto auxiliar M (también conocido posesión, sello,contacto de memoria) y el motor seguirá funcionando.• Cuando el botón de paro es activado, todo el voltaje de labobina de arranque se pierde. Los contactos principales se abren junto con el contacto de retén y el motor se detiene.• El arrancador sale de operación a baja o ninguna tensión y nopuede ser energizado a menos que se vuelva a suministrar volta-je desde el botón de encendido.

Básicamente, el control de tres hilos utiliza un circuito de mantenimiento que consta de un contacto de retén conectado en paralelo con el botón de inicio. Cuando arrancador sale de op-eración, el contacto de retén se abre y abre el circuito de la bobinahasta que el botón de inicio es presionado para arrancar el motor. En el caso de un fallo de energía, el circuito de mantenimientoestá diseñado para proteger contra arranque automático cuandose restablezca el suministro. Este tipo de protección debe serutilizado donde, accidentes o daño puedan resultar de arranquesinesperados. Todos los dispositivos que arrancan el circuitoestán conectados, mientras que los que se paran el circuito están conectados en serie.

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Discussion Topics 39


1. How are the contacts of a manual motor starter closed and opened?

2. One advantage of the magnetic motor starter over manual types is that it allows a motor to be controlled from any location. What makes this possible?

3. Power is lost and then returned to a two-wire motor control circuit. What will happen? Why?

4. Trace the current path of the holding circuit found in a three-wire motor control circuit.


1. Heat is the greatest enemy of a motor. Discuss in what way nonadherence to each of the following motor nameplate parameters could cause a motor to overheat: ( a ) voltage rating; ( b ) current rating; ( c ) ambient temperature; ( d ) duty cycle.

2. Two identical control relay coils are incorrectly connected in series instead of parallel across a 230-V source. Discuss how this might affect the operation of the circuit.

3. A two-wire magnetic motor control circuit control-ling a furnace fan uses a thermostat to automatically operate the motor on and off. A single-pole switch is to be installed next to the remote thermostat and wired so that, when closed, it will override the auto-matic control and allow the fan to operate at all times regardless of the thermostat setting. Draw a ladder control diagram of a circuit that will accomplish this.

4. A three-wire magnetic motor control circuit uses a remote start/stop pushbutton station to operate the motor on and off. Assume the start button is pressed but the starter coil does not energize. List the possible causes of the problem.

5. How is the control voltage obtained in most motor control circuits?

6. Assume you have to purchase a motor to replace the one with the specifications shown below. Visit the website of a motor manufacturer and report on the specifications and price of a replacement motor.

1. Why are contacts from control devices placed only in series with loads?

2. Record all the nameplate data for a given motor and write a short description of what each item specifies.

3. Search the Internet for electric motor connection diagrams. Record all information given for the con-nection of the following types of motors:

a. DC compound motor b. AC single-phase dual-voltage induction

motor c. AC three-phase two-speed induction motor 4. The AC squirrel-cage induction motor is the domi-

nant motor technology in use today. Why?


Horsepower 10

Voltage 200

Hertz 60

Phase 3

Full-load amperes 33

RPM 1725

Frame size 215T

Service factor 1.15

Rating 40C AMB-CONT

Locked rotor code J

NEMA design code B

Insulation class B

Full-load efficiency 85.5

Power factor 76

Enclosure OPEN


40

3

Transformadores y Sistemas de Distribucion

Objectivos del capitulo


Los transformadores transfieren energía eléctrica de un circuito eléctrico a otro por medio de la inducción electromagnética. En su sentido más amplio, un sistema de distribución se refiere a la manera en que la energía eléctrica se transmite desde los generadores a sus numerosos puntos de uso. En este capítulo vamos a estudiar el papel que juegan los transformadores de distribución de energía en motores y los sistemas de control.

PARTE 1 Sistemas de Distribución de Energía Sistemas de Transmisión Los sistemas centrales de generación y distribución de energía permiten que se produzca energía en un lugar para su uso inmediato en otro lugar, a muchos kilómetros de distan-cia. La transmisión de grandes cantidades de energía eléctri-ca sobre distancias bastante largas se logra más eficazmente mediante el uso de altos voltajes.

Este capítulo te ayudará a:

1. Entender los principios que se utilizan para transmitir eficazmente la energía de la planta de generación al cliente.

2. Reconocer las diferentes secciones y funciones de una subestación.

3. Diferenciar entre la entrada de servicio, alimentadores y circuitos de la red de distribución eléctrica dentro de un edificio.

4. Estar familiarizado con el funcionamiento y tipos vías utilizadas en los sistemas de distribución eléctrica.

5. Explicar la función de los tableros, paneles, y los cen-tros de control de motores.

6. Comprender la teoría de funcionamiento de un trans-formador.

7. Conectar correctamente un transformador monofásico y trifásico como parte de la potencia del motor y circuito de control.

PART 1 Power Distribution Systems 41

current required for a given load. Their operation is sum-marized as follows:

• 10,000 W of power is to be transmitted. • When transmitted at the 100-V level, the required

transmission current would be 100 A:

P = V × I = 100 V × 100 A = 10,000 W

• When the transmission voltage is stepped up to 10,000 V, a current flow of only 1 A is needed to transmit the same 10,000 W of power:

P = V × I = 10,000 V × 1 A = 10,000 W

There are certain limitations to the use of high volt-age in power transmission and distribution systems. The higher the voltage, the more difficult and expensive it becomes to safely insulate between line wires, as well as from line wires to ground. The use of transformers in power systems allows generation of electricity at the most suitable voltage level for generation and at the same time allows this voltage to be changed to a higher and more economical voltage for transmission. At the load centers transformers allow the voltage to be lowered to a safer voltage and more suitable voltage for a particular load. Power grid transformers, used to step up or step down voltage, make possible the conversion between high and low voltages and accordingly between low and high cur-rents (Figure 3-3). By use of transformers, each stage of the system can be operated at an appropriate voltage level. Single-phase three-wire power is normally supplied to residential customers, while three-phase power is sup-plied to commercial and industrial customers.

Unit Substations Electric power comes off the transmission lines and is stepped down to the distribution lines. This may happen in several phases. The place where the conversion from trans-mission to distribution occurs is in a power substation . It has transformers that step transmission voltage levels down to distribution voltage levels. Basically a power substation consists of equipment installed for switching, changing, or regulating line voltages. Substations provide a safe point in the electricity grid system for disconnecting the power in

high voltages. Figure 3-1 illustrates the typical transforma-tion stages through which the distribution system must go in delivering power to a commercial or industrial user. Without transformers the widespread distribution of electric power would be impractical. Transformers are electrical devices that transfer energy from one electrical circuit to another by magnetic coupling. Their purpose in a power distribution system is to convert AC power at one voltage level to AC power of the same frequency at another voltage level. High voltages are used in transmission lines to reduce the amount of current flow. The power transmit-ted in a system is proportional to the voltage multiplied by the current. If the voltage is raised, the current can be reduced to a smaller value, while still transmitting the same amount of power. Because of the reduction of current flow at high voltage, the size and cost of wiring are greatly reduced. Reducing the current also minimizes voltage drop ( IR ) and amount of power lost ( I 2 R ) in the lines. The circuits of Figure 3-2 illustrate how the use of high voltage reduces the required amount of transmission

Figure 3-1 Transformation stages of a power distribution system.

4,000 V

345,000-VHigh-voltage

transmission grid

Powergenerating

station

Step-uptransformer

Step-downtransformer

Commercial/industrialcustomer

20,000 V

Figure 3-2 High voltage reduces the required amount of transmission current required.

Step-uptransformer

Step-downtransformer

Transmission at 100-V level

Transmission at 10,000-V level

1 A

100 APower

generatingplant

Customer

10,000 W 10,000 W

10,000 W 10,000 W

Figure 3-3 Power grid transformer. Photo courtesy ABB, www.abb.com.

Low-voltagepower lines

High-voltagepower lines

Low-voltage,high-currentwinding

High-voltage,low-current

winding


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42 Chapter 3 Motor Transformers and Distribution Systems

switches or molded-case circuit breakers in addition to metering for the measurement of voltage, cur-rent, power, power factor, and energy. The secondary switchgear is intended to be tripped out in the event of overload or faults in the secondary circuit fed from the transformer; the primary gear should trip if a short circuit or ground fault occurs in the transformer itself.

Before attempting to do any work on a unit substation, first the loads should be disconnected from the trans-former and locked open. Then the transformer primary should be disconnected, locked out, and grounded tempo-rarily if over 600 V.

Distribution Systems Distribution systems used to distribute power throughout large commercial and industrial facilities can be complex. Power must be distributed through various switchboards, transformers, and panelboards (Figure 3-6) without any component overheating or unacceptable voltage drops. This power is used for such applications as lighting, heat-ing, cooling, and motor-driven machinery. The single-line diagram for a typical electrical distribu-tion system within a large premise is shown in Figure 3-7. Typically the distribution system is divided into the fol-lowing sections:

Service entrance —This section includes conductors for delivering energy from the electricity supply sys-tem to the premises being served. Feeders —A feeder is a set of conductors that origi-nates at a main distribution center and supplies one or more secondary or branch circuit distribution centers. This section includes conductors for delivering the energy from the service equipment location to the final branch circuit overcurrent device; this protects each

the event of trouble, as well as a convenient place to take measurements and check the operation of the system. The power needs of some users are so great that they are fed through individual substations dedicated to them. These secondary unit substations form the heart of an industrial plant’s or commercial building’s electrical distribution. They receive the electric power from the electric utility and step it down to the utilization voltage level of 600 V nom-inal or less for distribution throughout the building. Unit substations offer an integrated switchgear and transformer package. A typical unit substation is shown in Figure 3-4. Substations are factory assembled and tested and therefore require a minimum amount of labor for installation at the site. The unit substation is completely enclosed on all sides with sheet metal (except for the required ventilating open-ings and viewing windows) so that no live parts are exposed. Access within the enclosure is provided only through inter-locked doors or bolted-on removable panels. The single-line diagram for a typical unit substation is illustrated in Figure 3-5. It consists of the following sections:

High-voltage primary switchgear —This section incorporates the terminations for the primary feeder cables and primary switchgear, all housed in one metal-clad enclosure. Transformer section —This section houses the trans-former for stepping down the primary voltage to the low-voltage utilization level. Dry-type, air-cooled transformers are universally used because they do not require any special fireproof vault construction. Low-voltage distribution section —This switchboard section provides the protection and control for the low-voltage feeder circuits. It may contain fusible

Figure 3-4 Factory assembled unit substation. This material and associated copyrights are proprietary to, and used with the permission of Schneider Electric.

Low-voltagemain bus

Main secondarybreaker

Primaryswitchgear

Transformer

Primary service feeder

Branch feeders

Feederbreakers

Figure 3-5 Single-line diagram for a typical unit substation.



Lightingpanelboard

Distributionpanel

Subfeeder

Branch circuits

Specificpurposeequipment

Motor controlcenter

Powerpanelboard

Main feeder

Other loads

Mainswitchboard

Electricitysupplysystem

Serviceequipment

Service entrance

Main feeder

Feeders

Motors

Lightingandreceptacles

Figure 3-7 Single-line diagram for a typical electrical distribution system.

piece of utilization equipment. Main feeders originate at the service equipment location, and subfeeders origi-nate at panelboards or distribution centers at locations other than the service equipment location.

Branch circuits —This section includes conductors for delivering the energy from the point of the final overcurrent device to the utilization equipment. Each feeder, subfeeder, and branch circuit conductor in

Figure 3-6 Typical commercial/industrial distribution system. Courtesy Siemens, www.siemens.com.

Outdoor feederbusway Feeder busway

Switchboard

480 V AC

Panelboard

Transformer

480 V ACfrom utility

120 V AC

480 V AC

Panel

Motor control center

480 V AC




properly supported and have sufficient access points to facilitate the installation of the conductors. Con-duits must be large enough to accommodate the num-ber of conductors, based generally, on a 40 percent fill ratio. Cable trays— Cable trays are used to support feeder cables where a number of them are to be run from the same location. They consist of heavy feeder conduc-tors run in troughs or trays. Low-impedance busways (bus duct)— The busways are used in buildings for high-current feeders. They consist of heavy bus bars enclosed in ventilated ducts. Plug-in busways —These busways are used for over-head distribution systems. They provide convenient power tap-offs to the utilization equipment.

Switchboards and Panelboards The Code defines a switchboard as a single panel or group of assembled panels with buses, overcurrent devices, and instruments. Figure 3-9 shows a typical combination service entrance and switchboard installed in a com-mercial building. The service entrance is the point where

turn needs its own properly coordinated overcurrent protection in the form of a circuit breaker or fused switch.

Correct selection of conductors for feeders and branch circuits must take into account ampacity, short-circuit, and voltage-drop requirements. Conductor ampacity refers to the maximum amount of current the conductor can safely carry without becoming overheated. The ampacity rat-ing of conductors in a raceway depends on the conductor material, gauge size, and temperature rating; the number of current-carrying conductors in the raceway; and the ambient temperature. The National Electrical Code (NEC) contains tables that list the ampacity for approved types of conductor size, insulation, and operating conditions. NEC rules regarding specific motor installations will be covered throughout the text. Installers should always follow the NEC, applicable state and local codes, manufacturers’ instructions, and project specifications when installing motors and motor controllers. All conductors installed in a building must be properly protected, usually by installing them in raceways. Race-ways provide space, support, and mechanical protection for conductors, and they minimize the hazards from elec-tric shocks and electric fires. Commonly used types of raceways found in motor installations are illustrated in Figure 3-8 and include:

Conduits— Conduits are available in rigid and flex-ible, metallic and nonmetallic types. They must be

Busway sectionsbolted together

Plug-in type buswayCable trays

Rigid conduit

Flexible conduit

Rigid and f lexible conduit

Motor

Figure 3-8 Common types of raceways. Busway photos courtesy Siemens, www.siemens.com. Cable tray photo cour-tesy of Hyperline Systems (www.hyperline.com). The copyrights are owned by the Hyperline Systems or the original creator of the material.

Figure 3-9 Combination service entrance switchboard. Photos courtesy Siemens, www.siemens.com.



http://www.hyperline.com





Figure 3-11 shows the typical internal wiring for a 277/480-V, three-phase, four-wire panelboard equipped with circuit breakers. This popular system used in indus-trial and commercial installations is capable of supplying both three-phase and single-phase loads. From neutral (N) to any hot line, 277 V single-phase for fluorescent light-ing can be obtained. Across the three hot lines (A-B-C) 480 V three-phase is present for supplying motors. The proper grounding and bonding of electrical distri-bution systems in general and panelboards in particular are very important. Grounding is the connection to earth, while bonding is the connection of metal parts to provide a low impedance path for fault current to aid in clearing the overcurrent protection device and to remove danger-ous current from metal that is likely to become energized. The main bonding jumper gives you system grounding . If a transformer is immediately upstream of the panelboard, you must bond the neutral bus or neutral conductor to the panel enclosure and to a (bare) grounding-electrode con-ductor as illustrated in Figure 3-12. The Code requires the panelboard cabinets, frames, and the like to be connected to an equipment grounding conductor, not merely grounded. A separate equipment grounding terminal bar must be installed and bonded to the panelboard for the termination of feeder and branch circuit equipment grounding conductors (Figure 3-13). The equipment grounding bus is noninsulated and is

electricity enters the building. The switchboard has the space and mounting provisions required by the local util-ity for metering its equipment and incoming power. The switchboard also controls the power and protects the dis-tribution system through the use of switches, fuses, circuit breakers, and protective relays. Switchboards that have more than six switches or circuit breakers must include a main switch to protect or disconnect all circuits. A panelboard contains a group of circuit breaker or fuse protective devices for lighting, convenience recep-tacles, and power distribution branch circuits (Fig-ure 3-10). Panelboards (sometimes referred to as load centers) are placed in a cabinet or cutout box, which is accessible only from the front, and have dead fronts. A dead front is defined in the Code as having no exposed live parts on the operating side of the equipment. The panelboard is usually supplied from the switchboard and further divides the power distribution system into smaller parts. Panelboards make up the part of the dis-tribution system that provides the last centrally located protection for the final power run to the load and its con-trol circuitry. Panelboards suitable as service equipment are so marked by the manufacturer.

Panelboard

Main feederfrom switchboard

Wall mounted

Branch circuitfeeders

Figure 3-10 Typical panelboard installations. This material and associated copyrights are proprietary to, and used with the permission of Schneider Electric.

Figure 3-11 Wiring for a 277/480-V, three-phase, four-wire panelboard.

Main lugsA B C

C

BN

A

480 V480 V

480 V

277 V

Panelboard

Neutral bus



mounted inside the panelboard and connects directly to the metal enclosure. A busbar can be defined as a common connection for two or more circuits. The Code requires that busbars be located so as to be protected from physical damage and held firmly in place. Three-phase busbars are required to have phases in sequence so that an installer can have the same fixed phase arrangement in each termination point in any panel or switchboard. As established by NEMA, the phase arrangement on three-phase buses shall be A, B, C front to back, top to bottom, or left to right as viewed from the front of the switchboard or panelboard (Figure 3-14). Panelboards are classified as main breaker or main lug types. Main breaker–type panelboards have the incoming supply cables connected to the line side of a circuit breaker, which in turn feeds power to the panelboard. The main breaker disconnects power from the panelboard and pro-tects the system from short circuits and overloads. A main lug panelboard does not have a main circuit breaker. The

Equipment groundingbus connects directly

to metal enclosure

Figure 3-13 Equipment grounding bus. This material and associated copyrights are proprietary to, and used with the permission of Schneider Electric.

AB

C

Front to back Top to bottom Left to right

A B CA

B

C

Figure 3-14 Phase arrangement on 3-phase buses.

Main breaker type

Figure 3-15 Panelboard configurations. Photos courtesy Siemens, www.siemens.com.

L1

Typical terminal numbering Main lug only

L2 L3

18161412108642

1715131197531

incoming supply cables are connected directly to the busbars. Primary overload protection is not provided as an integral part of the panelboard. It must be externally provided. Nor-mally panelboard circuit terminals are required to be labeled or to have a wiring diagram. One scheme (sometimes called NEMA numbering) uses odd numbers on one side and even on the other, as illustrated in Figure 3-15.

Figure 3-12 Panelboard grounding and bonding.

ABC

Neutral bus Neutral

Neutral bondedto metalpanelboard

GroundingelectrodeconductorGrounding

electrode

Ground




troughs for accommodating incoming and outgoing load and control wires. Each unit is mounted in an individual, isolated compartment having its own door. Motor control centers are not limited to housing just motor starters but can typically accommodate many unit types as illustrated in Figure 3-17. These may include:

• Contactors • Full-voltage nonreversing NEMA and IEC starters

Motor Control Centers (MCCs) At times a commercial or industrial installation will require that many motors be controlled from a central location. When this is the case, the incoming power, control circuitry, required overload and overcurrent protection, and any trans-formation of power are combined into one convenient cen-ter. This center is called the motor control center . A motor control center is a modular structure designed specifically for plug-in type motor control units. Figure 3-16 illustrates a typical motor control center made up of a compact floor-mounted assembly, composed principally of combination motor starters that contain a safety switch and magnetic starter placed in a common enclosure. The con-trol center is typically constructed with one or more verti-cal sections, with each section having a number of spaces for motor starters. The sizes of the spaces are determined by the horsepower ratings of the individual starters. Thus, a starter that will control a 10-hp motor will take up less room than a starter that will control a 100-hp motor. A motor control center is an assembly primarily of motor controllers having a common bus. The structure supports and houses control units, a common bus for dis-tributing power to the control units, and a network of wire

Figure 3-16 Typical motor control center. Photo courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.

Lighting contactor Full-voltagenonreversing starter

Full-voltagereversing starter

Variable-frequency drive

Soft starterProgrammable logiccontroller (PLC)

Metering unit

Figure 3-17 Typical motor control center unit types. Photos courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.





• Transformers • Analog or digital metering • Feeder circuit breakers • Feeder fusible disconnects

• Full-voltage reversing NEMA and IEC starters • Soft starters • AC variable-frequency drives • Programmable logic controllers (PLCs) • Solid-state motor controllers


1. a. Why are high voltages used for transmitting elec-tric power over long distances?

b. What limitation is there to the use of high-voltage transmission systems?

2. a. If 1 MW of electric power is to be transmitted at a voltage of 100 V, calculate the amount of current the conductors would be required to carry.

b. Calculate the amount of conductor current flow for the same amount of power and a transmission voltage of 100,000 V.

3. Compare the type of AC power normally supplied to residential customers with that supplied to commer-cial and industrial customers.

4. a. Outline the basic function of a unit substation. b. What three separate sections are contained within

a typical unit substation? 5. List three factors taken into account in selecting

conductors for feeders and branch circuits. 6. When motors and motor controllers are installed,

what regulations must be followed? 7. a. What types of conduit raceways are commonly

used in motor installations? b. List several installation requirements for conduit

runs. 8. Compare the function of a switchboard, panelboard,

and motor control center as part of the electrical distribution system.

PART 2 Transformer Principles

Transformer Operation A transformer is used to transfer AC energy from one cir-cuit to another. The two circuits are coupled by a magnetic field that is linked to both instead of a conductive electri-cal path. This transfer of energy may involve an increase or decrease in voltage, but the frequency will be the same in both circuits. In addition, a transformer doesn’t change power levels between circuits. If you put 100 VA into a transformer, 100 VA (minus a small amount of losses) comes out. The average efficiency of a transformer is well over 90 percent, in part because a transformer has no mov-ing parts. A transformer can be operated only with AC voltage because no voltage is induced if there is no change in the magnetic field. Operating a transformer from a con-stant DC voltage source will cause a large amount of DC current to flow, which can destroy the transformer. Figure 3-18 illustrates a simplified version of a single-phase (1ϕ) transformer. The transformer consists of two electrical conductors, called the primary winding and the secondary winding. The primary winding is fed from a

varying alternating current, which creates a varying mag-netic field around it. According to the principle of mutual inductance , the secondary winding, which is in this vary-ing magnetic field, will have a voltage induced into it. In its most basic form a transformer is made up of the:

• Core , which provides a path for the magnetic lines of force.

• Primary winding , which receives energy from the source.

• Secondary winding , which receives energy from the primary winding and delivers it to the load.

• Enclosure , which protects the components from dirt, moisture, and mechanical damage.

The essentials that govern the operation of a trans-former are summarized as follows:

• If the primary has more turns than the secondary, you have a step-down transformer that reduces the voltage.

• If the primary has fewer turns than the secondary, you have a step-up transformer that increases the voltage.


PART 2 Transformer Principles 49

the secondary winding. The actual number of turns is not important, just the turns ratio. A transformer turns ratio test set, such as that shown in Figure 3-19, can directly measure the turns ratio of single-phase transformers as well as three-phase transformers. Any deviations from rated values will indicate problems in transformer wind-ings and in the magnetic core circuits. The voltage ratio of an ideal transformer (one with no losses) is directly related to the turns ratio, while the cur-rent ratio is inversely related to the turns ratio:

Turns primary

____________ Turns secondary = Voltage primary

_____________ Voltage secondary = Current secondary

_____________ Current primary

• If the primary has the same number of turns as the secondary, the outgoing secondary voltage will be the same as the incoming primary voltage. This is the case for an isolation transformer.

• In certain exceptional cases, one large coil of wire can serve as both the primary and secondary. This is the case with autotransformers .

• The primary volt-amperes (VA) or kilovolt-amperes (kVA) of a transformer will be equal to that of the secondary less a small amount of losses.

Transformer Voltage, Current, and Turns Ratio The ratio of turns in a transformer’s primary winding to those in its secondary winding is known as the turns ratio and is the same as the transformer’s voltage ratio . For example, if a transformer has a 10:1 turns ratio, then for every 10 turns on the primary winding there will be 1 turn on the secondary winding. Inputting 10 V to the primary winding steps down the voltage and will produce a 1-V output at the secondary winding. The exact oppo-site is true for a transformer with a 1:10 turns ratio. A transformer with a 1:10 turns ratio would have 1 turn on the primary winding for every 10 turns on the second-ary winding. In this case, inputting 10 V to the primary winding steps up the voltage and will produce 100 volts at

Secondarywinding

Core

ACsource,100 VA

1 A

100 V Primarywinding

Magneticflux path

25 V

4 A

100 VALoad

Single-phase motorcontrol transformers

Figure 3-18 Simplified version of a single-phase (1ø) transformer. Photo courtesy Acme Electric Corporation, www.acmepowerdist.com.

Figure 3-19 Transformer turns ratio test set. Photo courtesy Megger, www.megger.com/us.


http://www.acmepowerdist.com

http://www.megger.com/us


Secondary current = Primary current × Turns ratio

= 10 A × 1 __ 2 = 5 A

Figure 3-21 shows the schematic diagram of a step-down transformer wound with 1,000 turns on the primary wind-ing and 50 turns on the secondary winding. As a step-down unit, this transformer converts high-voltage, low-current power into low-voltage, high-current power. A larger- diameter wire is used in the secondary winding to handle the increase in current. The primary winding, which doesn’t have to conduct as much current, may be made of a smaller-diameter wire. The transformer equations that apply to this circuit are the same as those for a step-up transformer:

Turns ratio = Number of turns on the primary

____________________________ Number of turns on the secondary

= 1000 _____ 50 = 20 ___ 1 = 20:1 turns ratio

If the voltage of one winding and the turns ratio are known, the voltage of the other winding can be determined.

Primary voltage = Secondary voltage × Turns ratio

= 12 V × 20 ___ 1 = 240 V

Secondary voltage = Primary voltage

_____________ Turns ratio

= 240 ____ 20 ___ 1

= 240 × 1 ___ 20 = 12 V

If the current of one winding and the turns ratio are known, the current of the other winding can be determined.

The following table shows examples of some common single-phase transformer turns ratios based on primary and secondary voltage ratings.

Primary voltage Secondary voltage Turns ratio

480 V 240 V 2:1

480 V 120 V 4:1

480 V 24 V 20:1

600 V 120 V 5:1

600 V 208 V 2.88:1

208 V 120 V 1.73:1

Figure 3-20 shows the schematic diagram of a step-up transformer wound with 900 turns on the primary winding and 1800 turns on the secondary winding. As a step-up unit, this transformer converts low-voltage, high-current power into high-voltage, low-current power. The trans-former equations that apply to this circuit are as follows:

Turns ratio = Number of turns on the primary

____________________________ Number of turns on the secondary

= 900 _____ 1800 = 1 __ 2 = 1: 2 turns ratio

If the voltage of one winding and the turns ratio are known, the voltage of the other winding can be determined.

Primary voltage = Secondary voltage × Turns ratio

= 240 V × 1 __ 2 = 120 V

Secondary voltage = Primary voltage

_____________ Turns ratio

= 120 ____ 1 __ 2

= 120 × 2 = 240 V

If the current of one winding and the turns ratio are known, the current of the other winding can be determined.

Primary current = Secondary current

_______________ Turns ratio

= 5 A ____ 1 __ 2

= 5 × 2 = 10 A

120 V ACsupply

Primary,900 turns

Secondary,1800 turns

240 V ACto load

10 A5 A

Load

Figure 3-20 Step-up transformer.

240 V ACsupply

Primary,1,000 turns

Secondary,50 turns

12 V ACto load

3 A60 A

Load

Figure 3-21 Step-down transformer.


PART 2 Transformer Principles 51

ratio connected to a 0.6-Ω resistive load. The transformer equations that apply to this circuit are as follows:

Secondary winding current = Secondary voltage

_______________ Load resistance

= 24 V _____ 0.6 Ω = 40 A

Primary winding current = Secondary winding current

______________________ Turns ratio

= 40 A _____ 20 ___ 1

= 40 × 1 ___ 20 = 2 A

Transformer Power Rating Just as horsepower ratings designate the power capacity of an electric motor, a transformer’s kVA rating indicates its maximum power output capacity. Transformers’ kVA ratings are calculated as follows:

Single-phase loads: kVA = I × E _____ 1,000

Three-phase loads: kVA = I × E × ! __

3 __________ 1,000

The maximum power rating of a transformer can be found on the transformer’s nameplate. Transformers are rated in volt-amperes (VA) or kilovolt-amperes (kVA). You may recall that volt-amperes is the total power supplied to the circuit from the source, and includes real (watts) and reac-tive (VAR) power. The primary and secondary full-load cur-rents usually are not given. If the volt-ampere rating is given along with the primary voltage, then the primary full-load current can be determined using the following equations:

Single-phase: Full-load current = VA _______ Voltage or kVA × 1,000 ___________ Voltage

Three-phase: Full-load current = kVA × 1,000 _____________ 1.73 × Voltage

Figure 3-23 shows the diagram for a single-phase 25-kVA transformer, rated 480 V primary and 240 V sec-ondary. The rated full-load primary and secondary cur-rents are calculated as follows:

Primary full-load current = kVA × 1,000 ___________ Voltage

= 25 kVA × 1,000 ______________ 480 V = 52 A

Primary current = Secondary current

_______________ Turns ratio

= 60 A _____ 20 ___ 1

= 60 × 1 ___ 20 = 3 A

Secondary current = Primary current × Turns ratio

= 3 A × 20 ___ 1 = 60 A

A transformer automatically adjusts its input current to meet the requirements of its output or load current. If no load is connected to the secondary winding, only a small amount of current, known as the magnetizing current (also known as exciting current), flows through the primary winding. Typically, the transformer is designed in such a way that the power consumed by the magnetizing current is only enough to overcome the losses in the iron core and in the resistance of the wire with which the primary is wound. If the secondary circuit of the transformer becomes over-loaded or shorted, primary current increases dramatically also. It is for this reason that a fuse is placed in series with the primary winding to protect both the primary and second-ary circuits from excessive current. The most critical param-eter of a transformer is its insulation qualities. Failure of a transformer, in most instances, can be traced to a breakdown of the insulation of one or more of the windings. For a purely resistive load, according to Ohm’s law, the amount of secondary winding current equals the second-ary voltage divided by the value of the load resistance con-nected to the secondary circuit (a negligible coil winding resistance is assumed). Figure 3-22 shows the schematic diagram of a step-down transformer with a 20:1 turns

Turns ratio 20:1

480 V ACsupply

24 V ACto load0.6 !

Load

2 A40 A

Figure 3-22 Step-down transformer connected to a resis-tive load.

480 V ACsupply

240 V ACto load

Full-load current, 104 AFull-load current, 52 A

1-"25 kVA

480-V primary240-V secondary

Load

Figure 3-23 Single-phase 25-kVA transformer, rated 480/240 V full-load current.



Primary full-load current = kVA × 1,000 _____________ 1.73 × Voltage

= 37.5 kVA × 1,000 _______________ 1.73 × 480 V

= 45 A

Secondary full-load current = kVA × 1,000 _____________ 1.73 × Voltage

= 37.5 kVA × 1,000 _______________ 1.73 × 208 V

= 104 A

Secondary full-load current = kVA × 1,000 ___________ Voltage

= 25 kVA × 1,000 ______________ 240 V

= 104 A

Figure 3-24 shows the diagram for a three-phase 37.5-kVA transformer, rated 480 volts primary and 208 V secondary. The rated full-load primary and second-ary currents are calculated as follows:


1. Define the terms primary and secondary as they apply to a transformer winding.

2. On what basis is a transformer classified as being a step-up or step-down type?

3. Explain how the transfer of energy takes place in a transformer.

4. In an ideal transformer, what is the relationship between: a. The turns ratio and the voltage ratio? b. The voltage ratio and current ratio? c. The primary power and secondary power?

5. A step-down transformer with a turns ratio of 10:1 has 120 V AC applied to its primary coil winding. A 3-Ω load resistor is connected across the secondary coil. Assuming ideal transformer conditions, calcu-late the following: a. Secondary coil winding voltage. b. Secondary coil winding current. c. Primary winding coil current.

6. A step-up transformer has a primary current of 32 A and an applied voltage of 240 V. The secondary coil

has a current of 2 A. Assuming ideal transformer conditions, calculate the following: a. Power input of the primary winding coil. b. Power output of the secondary winding coil. c. Secondary coil winding voltage. d. Turns ratio

7. What is meant by the term transformer magnetizing , or exciting, current?

8. Why will a fuse placed in series with the primary coil winding protect both the primary and secondary coil winding circuits from excessive current?

9. Is transformer power rated in watts or volt-amperes? Why?

10. A transformer primary winding has 900 turns and the secondary winding has 90 turns. Which winding of the transformer has the larger-diameter conductor? Why?

11. The primary of a transformer is rated for 480 V and the secondary for 240 V. Which winding of the trans-former has the larger-diameter conductor? Why?

12. A single-phase transformer is rated for 0.5 kVA, a primary voltage of 480 V, and a secondary voltage of 120 V. What is the maximum full load that can be supplied by the secondary?

Figure 3-24 Three-phase 37.5-kVA transformer, rated 480/240 V full-load current.

3!480 V AC

supply

280 V ACto load

3-!37.5 kVA,

480-V primary,208-V secondary

3!Load

L1L2L3

Full-load current, 104 AFull-load current, 45 A


PART 3 Transformer Connections and Systems 53

Single-Phase Transformers Motor control transformers are designed to reduce sup-ply voltages to motor control circuits. Most AC commer-cial and industrial motors are operated from three-phase AC supply systems in the 208- to-600-V range. However, the control systems for these motors generally operate at 120 V. The major disadvantage to higher-voltage control schemes is that these higher voltages can be much more lethal than 120 V. Additionally, on a higher-voltage con-trol system tied directly to the supply lines, when a short circuit occurs in the control circuit a line fuse will blow or a circuit breaker will trip, but may not do so right away. In some cases light-duty contacts, such as those in stop buttons or relay contacts, can weld together before the protective device trips or blows. Step-down control transformers are installed when the control circuit components are not rated for the line voltage. Figure 3-27 shows the typical connection for a step-down motor control transformer. The primary side

PART 3 Transformer Connections and Systems

Transformer Polarity Transformer polarity refers to the relative direction or polarity of the induced voltage between the high-voltage and low-voltage terminals of a transformer. An under-standing of transformer polarity markings is essential in making three-phase and single-phase transformer connec-tions. Knowledge of polarity is also required to connect potential and current transformers to power metering and protective relays. On power transformers, the high-voltage winding leads are marked H1 and H2 and the low-voltage winding leads are marked X1 and X2 (Figure 3-25). By convention, H1 and X1 have the same polarity, which means that when H1 is instantaneously positive, X1 also is instantaneously positive. These markings are used in establishing the proper terminal connections when single-phase trans-formers are connected in parallel, series, and three-phase configurations. In practice, the four terminals on a single-phase trans-former are mounted in a standard way so the transformer has either additive or subtractive polarity. Whether the polarity is additive or subtractive depends on the loca-tion of the H and X terminals. A transformer is said to have additive polarity when terminal H1 is diagonally opposite terminal X1. Similarly, a transformer has sub-tractive polarity when terminal H1 is adjacent to termi-nal X1. Figure 3-26 illustrates additive and subtractive transformer terminal markings along with a test circuit that can be used to verify markings. Also shown is a battery-operated transformer polarity checker that can perform the same test.

H1 H2

X1 X2

High-voltagewinding

Low-voltagewinding

24 V

240 V

Figure 3-25 Transformer polarity markings. Photo courtesy Rockwell Automation, www.rockwellautomation.com.

Figure 3-26 Additive and subtractive transformer terminal markings. Photo courtesy Tesco, www.tesco-advent.com.

120 VH1 H2

X2 X1Test circuit

Additive polarity

12 V

132 VVoltmeter reading! 120 V " 12 V! 132 V

Voltmeter reading! 120 V # 12 V! 108 V

120 VH1 H2

X2 X1Test circuit

Subtractive polarity

12 V

108 V

H1

X1X2

H2

H1

X2X1

H2

Battery operatedtransformer polaritychecker



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(H1 and H2) of the control transformer will be the line voltage, while the secondary voltage (X1 and X2) will be the voltage required for the control components. Single-, dual-, and multitap primary control transform-ers are available. The versatile dual- and multitap primary transformers allow reduced control power from a variety of voltage sources to meet a wide array of applications. Figure 3-28 shows the connections for a typical dual primary transformer used to step 240 or 480 V down to 120 V. The primary connections on the transformer are identified as H1, H2, H3, and H4. The transformer coil between H1 and H2 and the one between H3 and H4 are rated for 240 V each. The low-voltage secondary connec-tions on the transformer, X1 and X2, can have 120 V from either a 480- or 240-V line. If the transformer is to be used to step 480 V down to 120 V, the primary windings are connected in series by a jumper wire or metal link. When the transformer is to be used to step 240 V down to 120 V, the two primary windings must be connected in parallel with each other. The control transformer secondary can be grounded or ungrounded. Where grounding is provided, the X2 side of the circuit common to the coils must be grounded at the control transformer. This will ensure that an accidental ground in the control circuit will not start the motor, or make the stop button or control inoperative. An additional requirement for all control transformers is that they be

480 VL1

H4 H1H2 H3 H3H2 H1

240 V240 V

L2

X1 X2120 V

240 VL1

H4

240 V240 V

L2

X1 X2120 V

Parallel connection for 240 VSeries connection for 480 V

Figure 3-28 Typical dual-voltage 480-V and 240-V transformer connections. Photo courtesy Siemens, www.siemens.com.

Figure 3-27 Motor control transformer wiring. Photo courtesy of Superior Panels, www.superiorpanels.com.

MOL

T1L1

T3

OLM

T2L2

Controltransformer

H1 H2

X1 X2

L3

Controloptions

Breakeror fused

disconnectMotor


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L1CB OLM

L2

X1

FU1 FU2

FU3

X2

L3

M

Stop

GND

MOL

Start

Motor

Figure 3-29 Fuse protection for both the primary and secondary of the transformer and the correct ground connec-tion for a grounded control system. Photo courtesy SolaHD, www.solahd.com.

480 V AC

480 V AC

Line A

Phase A480 V AC

Phase C480 V AC

Phase B480 V AC

IlineIphase

Line B

Line C

Three-phase

motor load

Figure 3-31 Three-phase, three-wire delta transformer connection supplying power to a three-phase motor load.

protected by fuses or circuit breakers. Depending on the installation, this protection can be placed on the primary, secondary, or both sides of the transformer. Figure 3-29 shows fuse protection for both the primary and secondary of the transformer and the correct ground connection for a grounded control system. The fuses must be properly sized for the control circuit. Section 430.72 of the Code lists requirements for the protection of transformers used in motor control circuits.

Three-Phase Transformers Large amounts of power are generated and transmitted using high-voltage three-phase systems . Transmission voltages may be stepped down several times before they reach the motor load. This transformation is accom-plished using three-phase wye - or delta -connected transformers or a combination of the two. Figure 3-30 illustrates some of the common three-phase wye and delta transformer connections. The connections are named after the way the windings are connected inside the transformer. Polarity markings are fixed on any transformer and the connections are made in accordance with them. The transformers supplying motor loads can be con-nected on the load (secondary) side either in delta or in wye configuration. Two types of secondary distribution systems commonly used are the three-phase three-wire system and three-phase four-wire system. In both, the secondary voltages are the same for all three phases. The three-phase three-wire delta system is used for balanced loads and consists of three transformer windings connected end to end. Figure 3-31 shows a typical three-phase, three-wire delta transformer

Figure 3-30 Common wye and delta transformer connections.

Wye-wye three-phase transformer connection

Delta-delta three-phase transformer connection

Delta-wye three-phase transformer connection

X1X1

Load

Load

Load

X1

X2

X2 X2

H1H1

H1

H2

H2 H2

L1

L2

L3

Primary Secondary

X1

X1

X1

X2

X2X2

H1

H1H1

H2

H2H2

L1

L2

L3

Primary Secondary

H1

H1H1

H2

H2H2

L1

L2

L3

Primary

X1X1

X1

X2

X2 X2

Secondary


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connection supplying power to a three-phase motor load. For a delta-connected transformer:

• The phase voltage ( E phase ) of the transformer sec-ondary is always the same as the line voltage ( E line ) of the load.

• The line current ( I line ) of the load is equal to the phase current ( I phase ) of the transformer secondary multiplied by 1.73.

kVA (transformer) = I line × E line × !

__ 3 _______________ 1,000

• The constant 1.73 is the square root of 3 and is used because the transformer phase windings are 120 electrical degrees apart.

The other commonly used three-phase distribution is the three-phase, four-wire system. Figure 3-32 shows a typical wye-connected three-phase, four-wire distribu-tion system. The three phases connect at a common point, which is called the neutral. Because of this, none of the windings are affected by the other windings. Therefore, the wye three-phase, four-wire system is used for unbalanced loads. The phases are 120 electrical degrees apart; how-ever, they have a common point. For a Wye transformer connected transformer:

• The phase-to-phase voltage is equal to the phase-to-neutral voltage multiplied by 1.73.

• The line current is equal to the phase current.

kVA (transformer) = I line × E line × !

__ 3 _______________ 1,000

• Common arrangements are 480Y/277 V and 208Y/120 V.

Line A

GroundPhase C

Phase BPhase A

Neutral

Iline

IphaseLine B

Line CNeutral

Single phase Three phase

Availablevoltages

120 V277 V

208 V480 V

Figure 3-32 Wye-connected, three-phase, four-wire distri-bution system.

The delta-to-wye configuration is the most commonly used three-phase transformer connection. A typical delta-to-wye voltage transformation is illustrated in Figure 3-33. The secondary provides a neutral point for supplying line-to-neutral power to single-phase loads. The neutral point is also grounded for safety reasons. Three-phase loads are supplied at 208 V, while the voltage for single-phase loads is 208 V or 120 V. When the transformer sec-ondary supplies large amounts of unbalanced loads, the delta primary winding provides a better current balance for the primary source. The autotransformer , shown in Figure 3-34, is a trans-former consisting of a single winding with electrical connection points called taps . Each tap corresponds to a different voltage so that effectively a portion of the same inductor acts as part of both the primary and secondary winding. There is no electrical isolation between the input and output circuits, unlike the traditional two-winding transformer. The ratio of secondary to primary voltages is equal to the ratio of the number of turns of the tap they connect to. For example, connecting at the 50 percent tap (middle) and bottom of the autotransformer output will halve the input voltage. Because it requires both fewer windings and a smaller core, an autotransformer for some power applications is typically lighter and less costly than a two-winding transformer. A variable autotransformer is one in which the output connection is made through a sliding brush. Variable autotransformers are widely used where adjustable AC voltages are required. An autotransformer motor starter, such as shown in Figure 3-35, reduces inrush motor current by using a three-coil autotransformer in the line just ahead of the motor to step down the voltage applied to the motor ter-minals. By reducing the voltage, the current drawn from the line is reduced during start-up. During the starting period, the motor is connected to the reduced-voltage taps on the autotransformer. Once the motor has accelerated, it is automatically connected to full-line voltage.

Instrument Transformers Instrument transformers are small transformers used in conjunction with instruments such as ammeters, voltme-ters, power meters, and relays used for protective pur-poses (Figure 3-36). These transformers step down the voltage or current of a circuit to a low value that can be effectively and safely used for the operation of instru-ments. Instrument transformers also provide insulation between the instrument and the high voltage of the power circuit. A potential (voltage) transformer operates on the same principle as a standard power transformer. The



Figure 3-33 Typical delta-to-wye, three-phase, four-wire transformer configuration.

L1

L2 C

AB

L3

Primary

L1L2

N

L3

Secondary

T1T2T3

208-V 3!motor load

208-V 1!motor load

208-V 1!motor load

120-V lightingloads

3! 1! 1!

H1

A

H2

X2 X1 X2 X1 X2 X1

H1 H2 H1 H2

120 V120 V120 V

2,400 V2,400 V2,400 V

BC

ABCN

(Neutral)

Figure 3-34 Autotransformer. Photo courtesy Superior Electric, www.superiorelectric.com.

Secondary

Variable autotransformer

Primary

50% tap

L1

L2

Figure 3-35 Autotransformer motor starter. Photo courtesy Rockwell Automation. www.rockwellautomation.com.

L1 L2 L3

T1 T2 T3

Start

Motor

main difference is that the capacity of a potential trans-former is relatively small compared to power transform-ers. Potential transformers have typical power ratings of from 100 VA to 500 VA. The secondary low-voltage side

is usually wound for 120 V, which makes it possible to use standard instruments with potential coil ratings of 120 V. The primary side is designed to be connected in parallel with the circuit to be monitored.


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A current transformer is a transformer that has its primary connected in series with the line conductor. The conductor passes through the center of the trans-former, as illustrated in Figure 3-37, and constitutes one primary turn. A current transformer supplies the instrument and/or protective device with a small cur-rent that is proportional to the main current. The sec-ondary winding consisting of many turns is designed to produce a standard 5 A when its rated current is flowing in the primary. The secondary circuit of a cur-rent transformer should never be opened when there is current in the primary winding. If the secondary is not loaded, this transformer acts to step up the voltage to a dangerous level, because of the high turns ratio. Therefore, a current transformer should always have its secondary shorted when not connected to an exter-nal load.


1. Explain the way in which the high-voltage and low-voltage leads of a single-phase power transformer are identified.

2. A polarity test is being made on the transformer shown in Figure 3-38. a. What type of polarity is indicated? b. What is the value of the voltage across the

secondary winding?

Figure 3-37 Current transformer. Photo courtesy ABB, www.abb.com.

Secondary

PrimaryCurrent transformer

Ammeter

Secondary

Primary

Motor

Voltmeter

Potentialtransformer

Currenttransformer

Ammeter

Protectiverelay

Motor

Figure 3-36 Instrument transformers. Photos courtesy Hammond Manufacturing, www.hammondmfg.com.

Figure 3-38 Circuit for review question 2.

H1 100 V

90 V


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Discussion Topics 59


1. The control transformer for an across-the-line three-phase motor starter is tested and found to have an open in the secondary winding. Discuss what would occur if an attempt where made to tem-porarily operate the control system directly from two of the three-phase supply lines.

2. The two primary windings of a dual-primary con-trol transformer (240 V or 480 V) are to be con-nected in parallel to step the line voltage of 240 V down to a control voltage of 120 V. Assuming the two primary windings are incorrectly connected in series instead of parallel what effect would this have on the control circuit?


1. Discuss how electric power might be distributed within a small commercial or industrial site.

2. Research the specifications for a typical four-wire electrical power panelboard capable of feeding

single-phase and three-phase loads. Include in your findings: • All electrical specifications • Internal bus layout • Connections for single-phase and three-phase loads

c. Redraw the diagram with the unmarked leads of the transformer correctly labeled.

3. The control circuit for a three-phase 480-V motor is normally operated at what voltage? Why?

4. A 240/480-V dual-primary control transformer is to be operated from a 480-V three-phase system. How would the two primary windings be connected rela-tive to each other? Why?

5. For the motor control circuit of Figure 3-39, assume the circuit is incorrectly grounded at X1 instead of

correctly as shown at X2. With this incorrect con-nection, explain how the control circuit would oper-ate if point 2 of the stop or start push button were to become accidentally grounded.

6. What are the two basic types of three-phase trans-former configurations?

7. The phase-to-neutral voltage of a wye-connected, three-phase, four-wire distribution system is rated for 277 V. What would its phase-to-phase rating be?

8. Why is it necessary to apply the constant 1.73 ( ! __

3 ) in three-phase circuit calculations?

9. Explain the basic difference between the primary and secondary circuits of a standard voltage trans-former and an autotransformer.

10. How are autotransformers used to reduce the start-ing current for large three-phase motors?

11. Give two examples of the way in which instrument transformers are used.

12. Compare the primary connection of a potential transformer with that of a current transformer.

13. What important safety precaution should be followed when operating current transformers in live circuits?

14. The current rating of the primary winding of a current transformer is 100 A and its secondary rating is 5 A. An ammeter connected across the secondary indicates 4 A. What is the value of the current flow in the primary? Figure 3-39 Circuit for review question 5.

L1CB OLM

L2

X1

FU1 FU2

FU3

X2

L3

M

Stop

GND

MOL

Start

Motor


Sistemas de Control y Motores Electricos Cap 1-4

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