Universidad Tecnológica de Querétaro

Firmado digitalmente por Universidad Tecnológica de Querétaro Nombre de reconocimiento (DN): cn=Universidad Tecnológica de Querétaro, o=Universidad Tecnológica de Querétaro, ou, [email protected], c=MX Fecha: 2013.01.21 15:21:17 -06'00'

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Voluntad * Conocimiento * Servicio

Nombre del proyecto: CONTROL DEL ARRANQUE DE UN VENTILADOR Empresa: GREEN SPARE Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de Técnico Superior Universitario en Mecatrónica Área Automatización Presenta LÓPEZ TAMEZ DIEGO EDUARDO Nombre del aspirante

ING.HERNÁNDEZ ZUÑIGA RAUL Asesor de la UTEQ

EFRAÍN HERNANDEZ GARCÍA Asesor de la empresa

Santiago de Querétaro, Qro.21 de enero de 2013,

RESUMEN El proyecto que se presenta a continuación, es un estudio sobre el método utilizado por la empresa Green Spare, para la construcción de un sistema de arranque de un motor eléctrico trifásico, donde se analizan diseños de construcción, utilización y selección de materiales eléctricos, así como los principios básicos de operación y función de los mismos. Se explica las formas de selección y limitaciones que tienen los componentes utilizados en el sistema de arranque, se determinan los procesos de colocación y distribución de los elementos eléctricos de control y fuerza. En este reporte se describe cada paso, desde el análisis del pedido hasta la culminación de la realización de un sistema de arranque.

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ABSTRACT The project presented below, is a study on the method used by the company Green Spare, to build a boot system for a triphased electric motor, in where we analyze designs, selection of electrical materials, and basic principles of the uses, functions and operations. It explains about the selection and limitations of the electrical components used for the boot system, we also give reason about how we determine, place and distribute the electrical power and control elements. In this report is described each step, from the analysis of the order given by the client, until the final steps of making a boot system.

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INDICE

Página Resumen

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Abstract

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Índice

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I.

INTRODUCCION

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II.

ANTECEDENTES

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III.

JUSTIFICACIÓN

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IV.

OBJETIVOS

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V.

ALCANCES

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VI.

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

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VII.

PLAN DE ACTIVIDADES

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VIII.

RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS

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IX.

DESARROLLO DEL PROYECTO

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X.

RESULTADOS OBTENIDOS

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XI.

ANÁLISIS DE RIESGOS

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XII.

CONCLUSIONES

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XIII.

RECOMENDACIONES

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XIV.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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I. INTRODUCCIÓN La empresa Green Spare. Utiliza extractores en sus sistemas de filtrado que desempeñan dos funciones; el aspirar de polvo y la expulsión del aire limpio a la atmosfera. El arranque del extractor y de las rotatorias debe de ser secuencial, en un primer instante arrancan las rotarias que comienzan a depositar el polvo en bolsas, posteriormente comienza el extracción en la cual se comienza a aspirar el polvo del área de trabajo. En caso de que alguna de las rotatorias no esté en función, la tolva en la cual se deposita el polvo, se comenzara a llenar, para posteriores arranques de las rotarias estas no arrancarían por el exceso de polvo en la tolva, provocando daños al sistema. Para evitar que alguna de las rotarias, no estuviera en funcionamiento por fallas producidas en los sistemas de filtración, se utiliza un sistema de control de motores, que manipulan las rotarias y al ventilador, el cual arranca los motores secuencialmente y en caso de falla detiene a todos los motores, e indica que motor ha fallado.

II. ANTECEDENTES 2.1 Antecedentes de la empresa Desde 1992 la empresa Green Spare se ha dedicado a resolver problemas de contaminación de aire en la industria mexicana y en algunos países de centro y Sudamérica. A lo largo de estos 18 años, nuestros

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ingenieros han adquirido la experiencia que nos permite ser actualmente el líder

nacional y el distribuidor más grande y confiable de los equipos

Donaldson [6]. 2.4 Antecedentes del proyecto La empresa Green Spare es una empresa dedicada a la creación de sistemas de filtración, uno de los sistema de filtrado que ofrece la empresa Green Spare son los equipos de recolección de polvo, que cuentan con un sistema de arranque para los motores de extracción de aire, estos pueden ser uno o varios dependiendo de las especificaciones del cliente, este sistema de arranque para los motores de extracción varia en sus componentes según las especificaciones y las características de los motores, a pesar de sus variaciones los arrancadores son algo que siempre se ha utilizado en la elaboración de los extractores.

III. JUSTIFICACIÓN La empresa al ofrecer sus productos de filtración, está obligada a asegurarse del correcto arranque de los motores de extracción, en este caso la solución de la empresa fue desarrollar sus propios gabinetes de arranque, los cuales varían su tipo de arranque, pero en la elaboración de este arrancador se utilizó el arranque tipo estrella delta, donde inicialmente el motor se conecta en estrella, de modo que el voltaje en sus devanados es menor (57.7%) y una vez el motor este trabajando, se cambia la conexión a delta, en donde los

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devanados quedan con la tensión nominal de trabajo. Este procedimiento, disminuye notablemente el fenómeno de arranque, que se produce al inicio de la marcha de un motor ya que absorbe una elevada corriente cuando se conecta a la red sin un sistema de arranque apropiado, la corriente que absorbe

es equivalente a 2.5 veces el valor de la corriente nominal, esto

provoca que la vida del motor se vea reducida y se ha propenso a sufrir a una falla [1].

IV.OBJETIVOS Los objetivos que se plantaron para este proyecto son: 

el elaborar

un sistema de arranque para un motor de 7.5HP

alimentado a 220VAC con un consumo de 20A de corriente nominal con

un arranque a tensión plena, este motor

es un

extractor, parte del sistema de recolección de polvo.

V. ALCANCES El alcance que se pretende alcanzar, es el correcto funcionamiento de un gabinete de arranque de un sistema de filtración, por medio de la implementación de un arranque estable y seguro, para que el motor extractor funcione adecuadamente y mantenga un buen inicio y un funcionamiento estable.

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VI. JUSTIFICACIÓN TEÓRICA VI.I Panel de control Un sistema de control está compuesto por un conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema, con el propósito de lograr un funcionamiento predeterminado y sistematizado [7].

Imagen 6-1.1 Panel de control

VI.II Interruptor unipolar Breaker o pastilla (Imagen 6-2.1) es un dispositivo que tiene la función de interrumpir o abrir un circuito eléctrico, cuando la intensidad de la corriente eléctrica que por él circula excede un determinado valor o se ha producido un cortocircuito, esto con el objetivo de no causar daños a los equipos eléctricos. Su método se lección se basa dependiendo del consumo de corriente de sistema de control en este proyecto se tiene un

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sistema de control de 110V con una corriente de 1.3A por lo que se seleccionaron pastillas de 2A

Imagen 6-2. 1 Interruptor unipolar

VI.III Interruptor Termomagnético

El interruptor termomagnetico es un medio de protección y desconexión a base de elementos mecánicos termomagnéticos de fácil accionamiento y de rápida respuesta a la falla eléctrica [2]. Todos los interruptores Siemens tienen un mecanismo de operación de característica cierre-apertura (rápido). La interrupción pordisparo libre, permite (cuando exista laincidencia de sobrecarga sostenida o falla de cortocircuito) que prevalezca la operación automática de apertura sobre la operación de cierre. La posición de la manija muestra al dispararse el efecto de la interrupción, cualquier falla que ocurra en

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algún polo, operará al mecanismo tripolar, efectuando la apertura simultánea en las tres fase [5]

Imagen 6-3. 1 Interruptor Termomagnético

VI.IV Transformador El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión a energía alterna de otro nivel de tensión, por medio de interacción electromagnética. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor aisladas entre sí eléctricamente y por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferro magnético [8].

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La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. Dentro del proyecto se utiliza un transformador, para el sistema de control (botones luces, solenoides y tarjeta de control delta p) el transformador varía de acuerdo al motor, ya sea si se trata de un motor de 110V, 220V o 440V y la corriente de salida varía según el nivel de carga que soportan los elementos de control seleccionados.

Imagen 6-4. 1 Transformador

VI.V Contactor Un contactor (Imagen 6-5.1) es un aparato mecánico de conexión y desconexión eléctrica, accionado por cualquier forma de energía, menos manual, capaz de establecer, mantener e interrumpir corrientes en condiciones normales del circuito, incluso las de sobrecargas.

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Las energías utilizadas para accionar un contactor pueden ser muy diversas: mecánicas, magnéticas, neumáticas, etc. Su selección se realiza teniendo en cuenta que el nivel de corriente eléctrica que soporta sea equivalente a la multiplicación de uno punto quince, por la corriente nominal del motor a utilizar, esto en caso emplearse para el control de un motor eléctrico.

Imagen 6-5. Tabla de selección de contactores del catalogo siemens .

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Imagen 6-5. 1Contactor Partes del contactor:  Carcasa La carcasa es el elemento en el cual se fijan todos los componentes conductores del contactor, para lo cual es fabricada en un material no conductor con propiedades como la resistencia al calor, y un alto grado de rigidez. Uno de los materiales más utilizados es la fibra de vidrio pero tiene un inconveniente y es que este material es quebradizo y por lo tanto su manipulación es muy delicada. En caso de quebrarse alguno de los componentes no es recomendable el uso de pegantes.  Electroimán También es denominado circuito electromagnético, y es el elemento motor del contactor. Consiste en un arrollamiento de alambre de cobre

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con unas características muy especiales con un gran número de espiras y de sección muy delgada para producir un campo magnético.  Armadura Es un elemento móvil muy parecido al núcleo pero no posee espiras de sombra, su función es la de cerrar el circuito magnético ya que en estado de reposo se encuentra separada del núcleo.  Contactos El objeto de estos elementos es permitir o interrumpir el paso de la corriente, son elementos conductores, los cuales se accionan tan pronto se energiza o se des energiza la bobina, por lo que se les denomina contactos instantáneos. Esta función la cumplen tanto en el circuito de potencia como en el circuito de mando. Los contactos están compuestos por tres partes, dos de las cuales son fijas y se encuentran ubicadas en la carcasa y una parte móvil, que une estas dos y posee un resorte para garantizar el contacto

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Imagen 6-5. 3 Contactos del contactor

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VI.VI Relévador térmico bimetálico Los relés térmicos bimetálicos constituyen el sistema más simple y conocido de la protección térmica por control indirecto, es decir, por calentamiento del motor a través de su consumo. Los bimetales están formados por la soldadura al vacío de dos láminas de materiales de muy diferente coeficiente de dilatación (generalmente ínvar y ferroniquel). Al pasar la corriente eléctrica, los bimetales se calientan y se curvan, con un grado de curvatura que depende del valor de la corriente y del tiempo. En caso de sobrecarga, al cabo de un determinado tiempo definido por su curva característica, los bimetales accionan un mecanismo de disparo y provocan la apertura de un contacto, a través del cual se alimenta la bobina del contactor de maniobra. Este abre y desconecta el motor [3].

Los relés térmicos bimetálicos (imagen6-6.1) Las curvas características intensidad-tiempo muestran la dependencia del tiempo de disparo partiendo del estado frío del múltiplo de la intensidad de ajuste. En un relé con temperatura de empleo, precargado con 1 x los tiempos de disparo quedan reducidos aproximadamente un 25%. Para la carga monopolar,

las

curvas

de

disparo

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se

encuentran

entre

las

curvas

características. Durante el funcionamiento normal se deberán calentar las 3 tiras bimetálicas del relé de sobrecarga. Los relés de sobrecarga 3RU son apropiados para la protección de motores con control del corte de fases. Para la protección de consumidores monofásicos o de corriente continua se deberán conectar en serie todas las tres vías de corriente principales. La intensidad de disparo límite con carga simétrica tripolar se sitúa entre 105% y 120% de la intensidad de ajuste [5].

Tabla 6-6. 1 representación de la curva característica tiempo-intensidad de del catálogo siemens.

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Imagen 6-6. 1 Relevador bimetálico

Imagen 6-6. 2 Tabla de selección para relevador bimetálico catalogo siemens

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VI.VIII Botones pulsadores Un botón o pulsador (imagen6-8.1) es un dispositivo utilizado para activar alguna función. Los botones son por lo general activados al ser pulsados, normalmente con un dedo. Corriente mientras es accionado. Cuando ya no se actúa sobre él vuelve a su posición de reposo. Puede ser el contacto normalmente cerrado (en reposo NC), o con el contacto normalmente abierto (NA).

Los botones utilizan a menudo un código de colores para asociarlos con su función de manera que el operador no vaya a pulsar el botón equivocado por error. Los colores comúnmente utilizados son: el color rojo para detener la máquina o proceso, y el verde para arrancar la máquina o proceso.

Imagen 6-8.2 Botones pulsadores

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Imagen 6-8.2 Botones pulsadores catalogo siemens

VI.IX Lámparas indicadoras Un circuito de lámparas indicadoras, que comprende una pluralidad de lámparas o luces indicadoras para indicar un estado de funcionamiento de los dispositivos a vigilar, una pluralidad de transformadores para acoplar funcionalmente las indicadoras a los diversos dispositivos externos [5]. En las máquinas o líneas de producción se utilizan luces de llamada para indicar el estado de la operación. Generalmente se colocan en un lugar elevado para que los trabajadores o el supervisor puedan verlas.

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Imagen 6-9.1 Lámparas indicadoras

Imagen 6-9.2 Lámparas indicadoras catalogo siemens

VI.X Selector de tres posiciones El eje de accionamiento forma una unidad con las tres cuchillas de contacto. Debido a la disposición de los contactos fijos (tierra – embarrado), no es necesario enclavar recíprocamente las funciones de cierre y puesta a tierra.

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Durante la operación de cierre, el eje de accionamiento se mueve de la posición “abierto” a la posición “cerrado “conjuntamente con las cuchillas de contacto móviles. la fuerza del mecanismo a resorte asegura una alta velocidad de cierre, independiente del usuario, y una conexión segura del circuito primario [5].

Imagen 6-10.1 Interruptor seccionador de tres posiciones

Imagen 6-10.2 Selector de 3 posiciones

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Imagen 6-10.2 Tabla de selección para selector de 3 posiciones siemens

VI.XI Gabinete Sistema de gabinetes metálicos de construcción monoblock con laterales formados de una sola pieza perfilada y doblada. Parte posterior unida a los laterales a través de perfil especial formando una zona estanca protegida. Pintados exterior e interiormente poliéster-epoxi color gris claro

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con resina de

Considerados especialmente adecuados, dada su gran resistencia para su instalación en recintos interiores donde por su situación se vean afectados por posibles golpes.

Imagen 6-11.1 Gabinete metálico

VI.XII Canaleta La canaleta dentada (Imagen6-12.1) son tubos metálicos o plásticos que conectados de forma correcta proporcionan al cable una segunda pantalla o protección. 

Apropiadas para alambrar tableros de control.



Los cables se pueden colocar o retirar con facilidad.



Temperatura de servicio -40C - +85C.

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Imagen6-12.1 Canaleta ranurada

VI.XIII Riel de montaje industrial El riel de montaje industrial (Imagen 6-13.1) es Ideal para soportar equipos de conexión en red y protección eléctrica pesados. También compatible con otras piezas pesadas de equipos de conexión en red o protección eléctrica con chasis rectangular de 17,5 pulgadas (44,4 cm) de ancho.

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Imagen 6-13.1 Riel de montaje industrial

VI.XIV Cable Se llama cable a un conductor (imagen6-14.1) (generalmente cobre) o conjunto de ellos generalmente recubierto de un material aislante o protector. Los cables cuyo propósito es conducir electricidad se fabrican generalmente de cobre, debido a la excelente conductividad de este material, o de aluminio que aunque posee menor conductividad es más económico se seleccionan de acuerdo a al nivel de carga que se maneja en el sistema eléctrico en el proyecto se utiliza cable de cobre calibre 16 AWG para el sistema de control y 10 AWG (AWG calibre de alambre estadounidense) para la conexión de 220V de la acometida y el motor.

Imagen6-14.1 Cable conductor de electricidad

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VI.XV Clemas Una clema (imagen 6-15.1) es un tipo de conector eléctrico en el que un cable se aprisiona contra una pieza metálica mediante el uso de un tornillo. Al cable a veces simplemente se le retira el aislamiento exterior en su extremo, y en otras ocasiones se dobla en forma de U o J para ajustarse mejor al eje del tornillo.

Imagen6-15.1 Clemas

VI.XVI Tarjeta secuenciadora Delta P Sensores digitales de diferencial de presión y controladores de pulsos con microprocesador. Para el control de colectores. Ofrecen varias opciones de configuración para; Señal de salida a la tarjeta de pulsos, sistema de alarma de acuerdo al Delta P, control de pulsos, economizador

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de energía, ciclo final de limpieza, detección de fallas en válvulas, intervalo de servicio, duración del pulso, etc. Todos los equipos incluyen display digital programable que facilita un monitoreo constante, así como la programación de las opciones del dispositivo.

Imagen 6-16.1 Delta P

VI.XVIII POTENCIA DE MOTOR DE INDUCCION Para las cargas reactivas o sea donde existe desfasaje como en los motores de inducción, la fórmula para obtener la potencia es la siguiente: 

P=√3*U*I*cosϕ*n, donde



U= Tensión en volts



I= corriente en amperes



P= Potencia en watts



Cosϕ= Factor de potencia

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

n= rendimiento o eficiencia



1HP=0.745KW



Imagen 6-16.1 Delta P

VI.XIX Arrancador estrella-delta La conexión en estrella y triángulo en un circuito para un motor trifásico, se emplea para lograr un rendimiento óptimo en el arranque de un motor trifásico. Esta conexión se usa con frecuencia para alimentar cargas trifásicas grandes de un sistema trifásico de alimentación conectado en estrella. Tiene la limitante de que para alimentar cargas monofásicas y trifásicas en forma simultánea, no dispone del neutro. En el arranque se conecta el motor en estrella, entonces se alimenta a 400/raíz(3)=230V y consume poca corriente, pero poco después se pasa a triángulo para que funcione con normalidad a plena potencia, y pasa a alimentarse a 400 V.

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Imagen 6-17.1 Arrancador estrella-delta La tensión de la red 400 V (tensión entre fases) es correcta. La indicación de la conexión del motor es por esto: Si pones los devanados del motor en estrella, entonces los alimentas con la tensión fase-neutro Vred/raíz (3) (700V/raíz (3)=400V). Si los pones en triángulo, están alimentados con la tensión entre fases por eso lo hay que conectar a 400 V. Eso de alimentarlo en estrella a 700 V es solo si fuese a funcionar de continuo con la conexión estrella. Generalmente hay que conectarlo en triángulo, pero arrancarlo en estrella para que divida por raíz de 3 la tensión y el arranque sea suave. Lo primero es ver la placa del motor si la tensión es a 380V. El motor debe ser de 380/660V. Con estas características si se puede efectuar la conexión Estrella-Triangulo [4].

VI.XX Motores eléctricos de inducción trifásicos Transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de campos electromagnéticos variables. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores.

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Principio de funcionamiento: Cuando la corriente atraviesa los arrollamientos de las tres fases del motor, en el estator se origina un campo magnético que induce corriente en las barras del rotor. Dicha corriente da origen a un flujo que al reaccionar con el flujo del campo magnético del estator, originará un paro para el motor que pondrá en movimiento al rotor. Dicho movimiento es continuo, debido a las variaciones también continuas, de la corriente alterna trifásica. Solo debe hacerse notar que el rotor no puede ir a la misma velocidad que la del campo magnético giratorio. Esto se debe a que a cada momento recibe impulsos del campo, pero al cesar el empuje, el rotor se retrasa. A este fenómeno se le llama deslizamiento. El deslizamiento funciona haciendo girar un imán en forma v a la velocidad ns alrededor de una masa circular metálica esta girara a una velocidad n2