UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

“OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS ELECTRICOS Y DE CONTROL DE LOS MECANISMOS DE LAS COMPUERTAS DE LA PRESA MIGUEL DE LA MADRID HURTADO”

MONOGRAFÍA Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA PRESENTA: ALAFITA MANZANARES JULIO ADRIAN

DIRECTOR: ING. SIMON LEAL ORTIZ

XALAPA-ENRÍQUEZ, VER.

AGOSTO 2015

‘’OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS ELECTRICOS Y DE CONTROL DE LOS MECANISMO DE LAS COMPUERTAS DE LA PRESA MIGUEL DE LA MADRID HURTADO’’

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‘’OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS ELECTRICOS Y DE CONTROL DE LOS MECANISMO DE LAS COMPUERTAS DE LA PRESA MIGUEL DE LA MADRID HURTADO’’

INDICE INTRODUCCION ................................................................................................................................... 7 CAPITULO 1.- OBRA DE CONTROL DE EXCEDENCIAS........................................................................... 9 1.1.- ANTECEDENTES DE LA OBRA DE CONTROL Y EXCEDENCIAS ‘’MIGUEL DE LA MADRID HURTADO’’ .................................................................................................................................... 10 1.2.- PROPOSITOS DE LA CONSTRUCCION DE LA PRESA MIGUEL DE LA MADRID HURTADO ....... 13 1.3.- DESCRIPCIÓN DE LA OBRA .................................................................................................... 14 1.3.1.- OBRA DE DESVIO ............................................................................................................ 15 1.3.2.- VASO DE LA PRESA ......................................................................................................... 17 1.3.3.- CORTINA DE LA PRESA ................................................................................................... 18 1.3.4.- OBRA DE EXCEDENCIAS .................................................................................................. 20 1.3.5.- OBRA DE CONTROL. ....................................................................................................... 21 1.4.- COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO DE LA OBRA DE CONTROL ........................................ 22 1.4.1.- COMPUERTAS RADIALES ................................................................................................ 23 1.4.2.- MECANISMO DE IZAJE .................................................................................................... 25 1.4.3.- MOTOR DEL MALACATE ................................................................................................. 26 CAPITULO 2.- OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS ELECTRICOS DE LA OBRA DE CONTROL DE EXCEDENCIAS. ................................................................................................................................... 31 2.1.- OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS ......................................................................... 32 2.2.- MOTOR ELECTRICO DE INDUCCION ...................................................................................... 33 2.2.1.- COMPONENTES DEL MOTOR DE INDUCCION ................................................................ 35 2.2.2.- FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE INDUCCION........................................................... 38 2.2.3.- TIPOS DE ARRANQUES EN MOTORES DE INDUCCION ................................................... 39 2.2.4.- PRINCIPALES FALLAS EN MOTORES ............................................................................... 45 2.2.5.- ELEMENTOS DE PROTECCIONES Y MANDO EN MOTORES ............................................ 50 2.2.6.- PLACA DE CARACTERISTICAS DEL MOTOR. .................................................................... 60 2.3.- SISTEMAS DE CONTROL ........................................................................................................ 62 2.3.1.- CIRCUITO ELECTRICO DE FUERZA................................................................................... 63 2.3.2.- CIRCUITO ELECTRICO DE CONTROL................................................................................ 68 2.3.3.- FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO ELECTRICO DE FUERZA Y CONTROL ........................ 71

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‘’OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS ELECTRICOS Y DE CONTROL DE LOS MECANISMO DE LAS COMPUERTAS DE LA PRESA MIGUEL DE LA MADRID HURTADO’’ 2.4.- OPERACIÓN LOGICA DE LAS COMPUERTAS .......................................................................... 78 2.4.1.- PANEL DE CONTROL ....................................................................................................... 79 2.4.2.- INDICADORES Y DETECCION DE FALLAS MECANICAS .................................................... 80 2.4.3.- PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN DE LAS COMPUERTAS .............................................. 83 CAPITULO 3.- REHABILITACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS MECANISMO DE LA OBRA DE CONTROL DE EXCEDENCIAS .............................................................................................................. 87 3.1.- MANTENIMIENTO PREVENTIVO A SISTEMAS MECANICOS. ................................................. 89 3.1.2.- LUBRICACION DE MECANISMOS DE IZAJE ..................................................................... 89 3.1.3.- REHABILITACION DE PINTURA DE COMPUERTAS Y OBTURADORES .............................. 90 3.2.- MANTENIMIENTO PREVENTIVO A SISTEMAS ELECTRICOS ................................................... 91 3.2.1.- MANTENIMIENTO A CIRCUITOS DE FUERZA Y CONTROL. ............................................. 91 3.2.2.- MANTENIMIENTO A MOTOR ELECTRICO. ...................................................................... 93 3.3.- MANTENIMIENTO CORRECTIVO. .......................................................................................... 94 CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 96 REFERENCIAS .................................................................................................................................. 97

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INDICE DE FIGURAS Figura 1 .- Vista general de la presa Miguel de la Madrid Hurtado ‘’Cerro de Oro’’ ........................ 15 Figura 2.- Revestimiento del túnel de desvió. ................................................................................... 16 Figura 3.- Vista panorámica del vaso de la presa Cerro de Oro. ....................................................... 18 Figura 4.- Vista de la cortina exterior o cortina aguas abajo de la Presa, taludes 2:1. ..................... 20 Figura 5.- Perfil de estructura vertedora tipo Creager. ..................................................................... 20 Figura 6.- Vista panorámica de la obra de control y excedencias. .................................................... 22 Figura 7.- Malacate, componentes y compuerta radial. ................................................................... 23 Figura 8.- Esquema de la sección transversal de una compuerta radial ........................................... 24 Figura 9.- Motor trifásico incorporado al malacate. ......................................................................... 27 Figura 10.- Estructura de freno electromagnético. ........................................................................... 28 Figura 11.- Freno hidráulico .............................................................................................................. 30 Figura 12.- Accionamiento de los mecanismos de izaje de manera manual o eléctrica. ................. 33 Figura 13.- Esquema del circuito de fuerza con arranque directo. (Schneider, pág. 3) .................... 40 Figura 14.- Esquema de arranque estrella-triángulo. ....................................................................... 42 Figura 15.- Esquema de arranque con Auto-transformador. ............................................................ 43 Figura 16.- Esquema de arranque con resistencias en serie con el estator. ..................................... 45 Figura 17.- Tipos de excentricidad en motores. (Flores, 2010). ........................................................ 47 Figura 18.- Interruptor termomagnético tripolar. ............................................................................ 52 Figura 19.- Componentes del Interruptor termomagnético. ............................................................ 54 Figura 20.- Relevador térmico. .......................................................................................................... 54 Figura 21.- Componentes internos del relevador térmico. ............................................................... 56 Figura 22.- Contactores principales y auxiliares................................................................................ 57 Figura 23.- Componentes internos del contactor. ............................................................................ 58 Figura 24.- Interruptor de final de carrera de palanca con rodillo. .................................................. 59 Figura 25.- Pulsador eléctrico............................................................................................................ 60 Figura 26.- Placa característica de un motor trifásico....................................................................... 62 Figura 27.- Esquema de circuito eléctrico de fuerza con inversión de giro. .................................... 64 Figura 28.- Conexión del interruptor termomagnético..................................................................... 66 Figura 29.- Conexión de inversión de giro en contactos principales. ............................................... 67 Figura 30.- Conexión del relevador térmico en el circuito de fuerza. ............................................... 67 Página 5

‘’OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS ELECTRICOS Y DE CONTROL DE LOS MECANISMO DE LAS COMPUERTAS DE LA PRESA MIGUEL DE LA MADRID HURTADO’’ Figura 31.- Conexión tipo estrella en placa de bornes de seis puntas. ............................................. 68 Figura 32.- Circuito eléctrico de control............................................................................................ 70 Figura 33.- Posición NA y NC del interruptor termomagnético tripolar. .......................................... 71 Figura 34.- Contactos principales KM1 y KM2. ................................................................................. 72 Figura 35.- Interruptores termomagnéticos del transformador en posición NA y NC..................... 73 Figura 36.- Conexión de los interruptores de final de carrera en el circuito de control. .................. 74 Figura 37.- Selector de tres posiciones para la operación local o remota. ....................................... 74 Figura 38.- Pulsador de ‘’Paro’’ del circuito de control. .................................................................... 75 Figura 39.- Enclavamiento eléctrico del circuito de control. ............................................................ 76 Figura 40.- Accionamiento del contactor principal ‘’KM1’’ mediante el pulsador ‘’DER-L’’. ............ 77 Figura 41.- Conexión del relevador térmico en el circuito de fuerza y circuito de control............... 78 Figura 42.- Panel de control de operación del malacate. ................................................................. 79 Figura 43.- Interruptor de final de carrera número 1 y 2 ‘’Limite de compuerta arriba y abajo’’. .. 80 Figura 44.- Interruptor de final de carrera número 3 ‘’Freno magnético’’. ..................................... 81 Figura 45.- Interruptor de final de carrera número 4 ‘’Avance de flecha’’. ..................................... 81 Figura 46.- Interruptor de final de carrera número 5 ‘’Accionamiento manual del malacate’’. ...... 82 Figura 47.- Interruptor de final de carrera número 6 ‘’Limite de izaje de la cadena’’. .................... 82 Figura 48.- Panel de control del CCM. ............................................................................................... 85 Figura 49.- Limpieza de los mecanismos de izaje.............................................................................. 89 Figura 50.- Lubricación a mecanismos de izaje y sistemas reductores de velocidad. ...................... 90 Figura 51.- Medición de espesores de pintura de compuertas radiales. .......................................... 91 Figura 52.- Componentes del circuito eléctrico de fuerza y mando. ................................................ 93 Figura 53.- Reposición de interruptor de fin de carrera (1). ............................................................. 94 Figura 54.- Reposición de interruptor de fin de carrera (2). ............................................................. 95

INDICE DE TABLAS Tabla 1.- Volumen de materiales en la cortina de la presa……………………………………………………………19 Tabla 2.- Causas de averías, efectos y posibles daños del motor…………………………………………………..50

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INTRODUCCION

La ingeniería contempla diversos campos de aplicación y trabaja desde la investigación, el diseño, el desarrollo, la operación y el mantenimiento. Con ella se busca resolver problemas y satisfacer necesidades humanas mediante el uso de técnicas, modelos y conocimiento proveniente de la ciencia. La

ingeniería

funcionamiento,

enfocada

operación

y

al

estudio

mantenimiento

de de

las

presas

éstas

y

vislumbra de

sus

el

obras

complementarias. En este trabajo se abordará el funcionamiento, la operación y el mantenimiento correspondiente a los sistemas eléctricos que forman parte de la obra de control y excedencias de la presa Cerro de Oro, ubicada en el municipio de Ojitlán, en el estado de Oaxaca La obra de control y excedencias es un trabajo complementario de la presa, y tiene como finalidad regular los excedentes líquidos mediante el uso de un sistema de compuertas que a su vez es controlado por un sistema eléctrico. Para los fines de estudio de los sistemas de control es necesario conocer el funcionamiento de cada uno de los elementos, tanto mecánicos como eléctricos, así como las fallas más comunes que éstos presentan, las medidas de protección y el mantenimiento que se implementan para prolongar su durabilidad y buen funcionamiento.

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Dentro de los sistemas a estudiar encontraremos distintos componentes, entre ellos mecanismos de izaje, los cuales son accionados mediante la puesta en marcha de un motor eléctrico de inducción; éste desempeña un papel fundamental en la realización de maniobras, puesto que de él depende la transmisión de movimiento que los mecanismos necesitan para operar. Para la puesta en marcha de estos motores se requiere de sistemas de protección que garanticen su correcto funcionamiento, para ello se implementa el uso de dispositivos electromecánicos que prevén las fallas más comunes. De igual manera se requiere del uso de dispositivos de mando y de control que permiten realizar secuencias de operación. Al tener en claro el funcionamiento de los componentes y del sistema en general, se abordará la lógica de operación de control de las compuertas de la presa, así como el mantenimiento necesario para la conservación de los equipos, dispositivos y componentes que intervienen en la operación de maniobras.

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CAPITULO 1.- OBRA DE CONTROL DE EXCEDENCIAS

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Esta primera parte del trabajo consiste en la descripción de las obras que constituyen a la presa Miguel de la Madrid Hurtado “Cerro de Oro”, así como sus antecedentes geográficos, meteorológicos y sociales, los cuales llevaron a realizar su construcción. De igual manera, se hace mención de los propósitos para los cuales fue construida y, por último, se puntualiza la descripción de la obra, razón de este trabajo, la cual lleva por nombre “Obra de control de excedencias”.

1.1.- ANTECEDENTES DE LA OBRA DE CONTROL Y EXCEDENCIAS ‘’MIGUEL DE LA MADRID HURTADO’’

México, debido a sus condiciones geográficas, experimenta el embate de una gran variedad de fenómenos naturales, entre ellos fenómenos tales como ciclones tropicales, frentes fríos y entradas de aire húmedo, los cuales pueden ocasionar lluvias intensas que a su vez pueden provocar inundaciones, deslaves u otros efectos de esta naturaleza. De manera particular, es importante mencionar que, en el territorio mexicano, el estado de Veracruz se ve afectado de manera recurrente por estos fenómenos, debido a que por él transita un tercio del agua superficial que escurre a nivel nacional, de esta manera se puede decir que Veracruz es uno de los estados con mayor incidencia de inundaciones, presentándose riesgos en todas las cuencas, desde Pánuco hasta Tonalá. Entre el año de 1851 y 2013 se registraron 1,713 ciclones tropicales en el Atlántico, de los cuales 50 han

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impactado en el estado: 27 en la zona norte, 18 en la zona centro y 5 en la zona sur La cuenca del Papaloapan está ubicada en el sureste del país, abarcando 3 estados (parte norte de Oaxaca, parte sur de Puebla y parte centro de Veracruz). Esta región se compone de 12 cuencas hidrológicas y tiene una superficie de 46 517.40 km². De acuerdo a sus características físicas y geográficas, la región hidrológica número 28 Papaloapan, o comúnmente llamada cuenca del Papaloapan, a través de los años ha sido susceptible a la concurrencia de fenómenos naturales. Los desastres naturales de mayor incidencia tienen su origen en lluvias intensas asociadas a ciclones tropicales, ondas del este y frentes fríos, que provocan depresiones y tormentas tropicales, huracanes, inundaciones y deslizamiento de tierras, entre otros. Dichos fenómenos hidrometeorológicos aumentan la vulnerabilidad de la población ubicada en las regiones y zonas de riesgo, las consecuencias que éstos han dejado a su paso tienen un efecto negativo en las condiciones de vida de la población y en el desenvolvimiento productivo. Las secuelas que estos desastres ocasionan se prolongan más allá del corto plazo y, con frecuencia, provocan cambios irreversibles tanto en las estructuras económicas y sociales como en el medio ambiente.

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Por tales motivos, la cuenca del Papaloapan ha sido objeto de múltiples estudios integrales. Dos eventos de gran magnitud marcaron a esta zona: los de los años 1944 y 1969. En 1944 se presentó un desbordamiento en el río Papaloapan, a este evento se le conoce como ‘’La tragedia de Tuxtepec’’, ya que cerca de un 80% de la región oaxaqueña quedó devastada, además de inundarse todas las poblaciones ribereñas del estado de Veracruz. La crecida agregó 200 mil hectáreas a las 300 mil que anualmente se inundaban en época de lluvias. Para el año de 1969 se tuvo que lamentar otra inundación de proporciones semejantes a las de 1944. Las avenidas que se presentaron en esa ocasión (del 10 de agosto al 20 de septiembre de 1969) registraron un gasto máximo de 7,000.00 m3/s. Difícil de cuantificar con precisión, ya que el río había roto los bordos en varias partes. La superficie inundada ascendió a las 339 mil hectáreas, incluyendo todas las poblaciones ribereñas. (SARH, 1990, págs. 724 - 725). Estos dos eventos lograron crear una conciencia solidaria entre los habitantes de las zonas afectadas y las autoridades, a razón de esto se destacó la necesidad de regular las avenidas del río Santo Domingo, que es considerado una de las corrientes principales de la cuenca del Papaloapan Los estudios sobre el particular arrojaron múltiples alternativas, de ellas destaca la construcción de la presa Cerro de Oro, proyecto cuya finalidad principal es el control de las avenidas del río Santo Domingo, así como aumentar la disponibilidad de riego, energía eléctrica y diversos servicios de infraestructura.

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Para justificar su construcción, se hicieron análisis desde el punto de vista económico, donde se mencionaron las pérdidas registradas en los eventos acontecidos en los años de 1944 y 1969 (el balance arrojó una pérdida de 100 millones y 443 millones de pesos, respectivamente). (SARH, 1990, pág. 730) Por otra parte, se tomaron en cuenta las consecuencias sociales generales de la construcción de la obra y se clasificaron en favorables y desfavorables. Las primeras se definieron como la protección contra avenidas y la disponibilidad de riego, energía eléctrica y numerosos servicios de infraestructura. Las segundas contemplaron la pérdida permanente de 20,000.00 a 25,000.00 hectáreas, pues serían inundados terrenos para ocuparlos con el vaso de la presa, ello derivaría en que los pobladores de la región fueran reubicados. (SARH, 1990, pág. 731). 1.2.- PROPOSITOS DE LA CONSTRUCCION DE LA PRESA MIGUEL DE LA MADRID HURTADO

Las obras de control y excedencia son construidas en los cauces o en las cuencas para encauzar, confinar, retener o almacenar los escurrimientos. Con éstas se logra abatir los gastos máximos de las avenidas, facilitar el paso libre del agua y proteger a las zonas bajas de los efectos de los escurrimientos. Todas las presas, en mayor o menor grado, cualquiera que sea su propósito, ayudan en el control de inundaciones, ya que los gastos máximos que salen de sus obras de excedencias son siempre menores que los gastos máximos de entrada al vaso.

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Para el caso particular de la presa Cerro de Oro, los propósitos proyectados radican principalmente en el control del cauce del río Santo Domingo, permitiendo regular las avenidas máximas desde los 14,000.00 m3/s (caudal que podría causar daños incalculables en la zona baja del Papaloapan), hasta los 3,500.00 m3/s, que sería la capacidad del cauce rectificado. Con esto las probabilidades de inundación anuales se verían reducidas del 54% a tan sólo el 5%. (SARH, 1990, pág. 761). Al quedar controlado el río Santo Domingo, se planteaba que se rescatarían aproximadamente 90,000 hectáreas de inundaciones en las márgenes del río Papaloapan, sobre todo de los municipios de Cosamaloapan, Tlacojalpan, Chacaltianguis, Tuxtilla y Tesechoacan, donde se podría desarrollar una agricultura intensiva y diversificada de alta productividad. De igual manera, la presa Cerro de Oro permitiría ampliar la capacidad instalada en la planta hidroeléctrica de la presa Temascal, de los 154,000 a los 334,000 KW. La producción pesquera aumentaría a no menos de 8,000 toneladas anuales, mientras que el área de embalse ofrecería mejores condiciones para el desarrollo de la navegación. (SEMARNAT, 1994, pág. 271). (SARH, 1990, págs. 761 - 762).

1.3.- DESCRIPCIÓN DE LA OBRA

Las obras que constituyen a la presa Miguel de la Madrid Hurtado se encuentran localizadas en el municipio de San Juan Bautista Tuxtepec, en el estado de Oaxaca, sus coordenadas son 18°00’, latitud norte, y 96°15’, longitud oeste del Página 14

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meridiano de Greenwich, y cuenta con una capacidad de embalse de 1,250 Hm3. (SEMARNAT, 1994, pág. 271) Cerro de Oro está conformada por diferentes obras: una de desvío, la cortina de la presa, el vaso o área de embalse y la obra de control y excedencias. Todas trabajando de manera conjunta y siendo independiente la una de la otra.

Figura 1 .- Vista general de la presa Miguel de la Madrid Hurtado ‘’Cerro de Oro’’

1.3.1.- OBRA DE DESVIO

Las obras de desvío durante la construcción de una presa tienen como fin el proveer una o más áreas de trabajo libre de agua y de escurrimiento del cauce, para que así las obras permanentes puedan construirse en seco. El diseño y la implementación de estas obras son relevantes dentro de la construcción de una presa, especialmente en ríos de descarga media o alta, o ríos sujetos a escurrimientos súbitos e importantes. Para el caso de la presa Cerro de Oro, durante la construcción de la cortina fue necesario realizar una obra que se encargara de manejar las corrientes del Página 15

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cauce. Para lograrlo fue necesario realizar una derivación del cauce, desviándolo mediante la implementación de ataguías que permitieran llevar a cabo los trabajos en seco. Una vez encausado el caudal, y ya con la zona en seco, se construyeron tres túneles 14 m de diámetro en excavación, y revestidos con concreto, a 12 m de diámetro, y 450 m de longitud, alojados en la ladera izquierda de la presa. (SEMARNAT, 1994, pág. 274).

Figura 2.- Revestimiento del túnel de desvió.

Aguas arriba y aguas debajo de los túneles se excavaron dos canales para permitir el acceso y descarga del agua, en el canal de entrada aguas arriba se tiene una longitud de 740 m. El canal de salida cuenta con una longitud de 530 m. (SEMARNAT, 1994, pág. 274). Al mismo tiempo en que se trabajaba en la obra de desvío, se llevaban a cabo los trabajos de construcción de la cortina sobre las márgenes derecha e

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izquierda del río, dejando el paso libre del agua únicamente en la sección transversal del cauce. Cuando los trabajos de la obra de desvío terminaron, se realizó el cierre de la sección de la cortina faltante, lo que originó que se iniciara la inundación del vaso de la presa y, de esta manera, mediante el canal aguas arriba de la obra de desvío, se logró encauzar el líquido hacia a los túneles.

1.3.2.- VASO DE LA PRESA

El vaso, o área de embalse de la presa, tiene una capacidad de almacenamiento de 1,250 Hm3. Fue llenado por primera vez en el año de 1989 y está intercomunicado con el vaso de la presa Temascal. Para formar el vaso en común de las presas se excavó un canal de intercomunicación en el punto denominado Puerto Pescaditos, donde actualmente existe el dique del mismo nombre y que es parte de la presa Miguel Alemán. Esta excavación es un tajo de sección transversal trapecial con un ancho total de 177 m a la elevación de 74.80 m.s.n.m., con un volumen total de 800,000 m3, de los cuales, el 26% pertenece al vaso de la presa Temascal y el 74% al de la presa Cerro de Oro. (SARH, 1990, págs. 766 767). Al estar comunicados directamente los embalses, con el llenado del vaso de la presa Cerro de Oro se observó un aumento directo en el nivel de las aguas que forman el vaso de la presa Temascal, lo cual provocó mejores condiciones de

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disponibilidad de agua para la central hidroeléctrica Temascal y, en consecuencia, un aumento en la generación de energía. Para el aprovechamiento del aumento del embalse, en la central hidroeléctrica fueron instaladas 2 unidades turbogeneradoras con una capacidad de 90,000 KW c/u, que permitieron pasar de los 154,000 a los 334,000 KW generados.

Figura 3.- Vista panorámica del vaso de la presa Cerro de Oro.

La zona afectada por el embalse de la presa se encuentra enclavada en los municipios de Ojitlán, Jalapa de Díaz y Usila, pertenecientes al estado de Oaxaca.

1.3.3.- CORTINA DE LA PRESA

La cortina de Cerro de Oro está elaborada a base de materiales graduados con secciones diferentes, tiene una altura máxima de 70 m, cuenta con 1,670 m de longitud medidos sobre su corona, 400 m de ancho en la base y 10 m en la corona de la cortina. (SEMARNAT, 1994, pág. 275). Tiene un volumen de 11.365 millones de m3, distribuidos como se muestra en la tabla 1: Página 18

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MATERIAL

VOLUMEN

EN

MILLONES ARCILLA

1.103 m3

GRAVA – ARENA 1.343 m3 REZAGA

6.799 m3

ROCA

2.120 m3

Tabla 1.- Volumen de materiales en la cortina de la presa. (SARH, 1990, pág. 765)

Está constituida por un corazón de material impermeable, desplantado en una trinchera a base de filtros de arena, grava y respaldos de roca. La sección tiene taludes 2:1 en la zona del cauce del rio Santo domingo, esto quiere decir que la pared de la cortina tiene por cada dos unidades de desplante horizontal una de desplante vertical. El tratamiento de cimentación de la cortina normalmente es desplantado sobre la roca sana por cuestiones de seguridad. Para el caso de la presa Cerro de Oro el espesor de material que se tuvo que haber removido para encontrar la roca sana era superior a los 20 m, en un ancho de 400 m y una longitud de 1,600 m, lo que pudo haber generado volúmenes elevados de extracción de material, mismos que al ser repuestos resultaban sumamente costosos. Por lo anterior se decidió efectuar un inyectado de cemento bentonita, silicato y otros productos químicos para formar una pantalla impermeable de 70 m de profundidad. (SARH, 1990, pág. 767).

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Figura 4.- Vista de la cortina exterior o cortina aguas abajo de la Presa, taludes 2:1.

1.3.4.- OBRA DE EXCEDENCIAS

La obra de excedencia es la parte estructural de la presa que permite la salida de volúmenes de agua excedentes, o bien es la parte que permite dar paso a los volúmenes de agua que demanden las necesidades de la región. En lo que respecta a la presa Cerro de Oro, la estructura vertedora es de tipo Creager, con una longitud total de 53.10 m. El gasto máximo de descarga es de 6,000 m3/s, y el volumen de concreto colocado es de 356,000 m3. (SEMARNAT, 1994, pág. 280).

Figura 5.- Perfil de estructura vertedora tipo Creager. http://captacionesdeagua.blogspot.mx/2013/01/diseno-de-captaciones.html

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Los vertedores tipo Creager son también conocidos como vertedores de caída rápida, en éstos la cresta se forma para ajustarse a la vena líquida en condiciones de gasto máximo, esto quiere decir que sobre el vertedor se desplanta una estructura en forma de curva, que simula un tobogán ajustado a la trayectoria que tendría el agua en caída libre. Este tipo de vertedores son implementados en zonas en las que la cimentación es erosionable, y con ellos se obtiene la máxima descarga de agua con presiones mínimas o nulas sobre la estructura.

1.3.5.- OBRA DE CONTROL.

La finalidad que tiene una obra de control es la de realizar maniobras de operación, que permitan regular volúmenes de agua según los fines para los que haya sido construida. La operación óptima de una obra de control depende de distintos sistemas que se encargan de reducir las probabilidades de fallo y de lograr los resultados deseados durante las maniobras de operación. En Cerro de Oro la obra de control está conformada por nueve compuertas radiales, seis de ellas tiene por medidas 5.90 m de ancho por 15.20 m de alto, y están ubicadas sobres los túneles uno y tres de la obra de desvío, mientras que las tres restantes tiene por medidas 5.90 m de ancho por 12.58 m de alto y se encuentran colocadas sobre el túnel número dos. (SEMARNAT, 1994, pág. 281). Cada compuerta fue instalada y dotada de un juego de guías laterales, agujas, vástagos que permiten la elevación o cierre de manera manual, adicional a Página 21

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estos elementos se cuenta con obturadores para sellar el paso del agua, cuando se requiera de dar mantenimiento. De igual manera, fueron adquiridos 9 malacates que permiten manipular la elevación de las compuertas. Cada malacate puede ser accionado de manera manual mediante un volante reductor, o de manera automática mediante la puesta en marcha de un motor eléctrico.

Figura 6.- Vista panorámica de la obra de control y excedencias.

1.4.- COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO DE LA OBRA DE CONTROL Respecto a la forma de control, ésta se realiza mediante el uso de compuertas que se incorporan sobre las obras de excedencias. Las compuertas pueden ser de distintos tipos, tales como compuertas de bisagras, tambor, radiales o de segmento. La

operación

de

las

compuertas

depende

de

distintos

sistemas

complementarios que pueden ser del tipo mecánico, eléctrico o hidráulico. Las características de estos sistemas dependen de múltiples factores, tales como Página 22

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espacio disponible, cargas transmitidas a la estructura y, por supuesto, el tipo de compuerta que se utilice. Entre los sistemas comúnmente utilizados se encuentran: vigas de alce, servomotores, contrapesos, grúas y malacates. Para conocer el funcionamiento y la operación que se lleva a cabo en la obra de control, es necesario conocer y describir los elementos que se encuentran en ella. En cada estructura vertedora existe: 

1 compuerta radial



1 mecanismo de izaje



1 motor trifásico de Inducción con freno magnético e hidráulico

Figura 7.- Malacate, componentes y compuerta radial.

1.4.1.- COMPUERTAS RADIALES

Las compuertas radiales son numeradas del uno al nueve, de izquierda a derecha, mirando de frente a la presa desde la posición aguas arriba. Todas las compuertas pueden ser operadas de manera local, mediante un panel de control o de manera Página 23

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remota, con una botonera similar ubicada en el Centro de Control de Maquinas (CCM). Todas las compuertas están construidas a base de acero. Una sección de la estructura cilíndrica de la compuerta se encuentra unida a cojinetes de apoyo, o centros de carga, por medio de brazos radiales. La superficie cilíndrica se hace concéntrica en los cojinetes de apoyo, de manera que todo el empuje producido por el agua pasa a través de ellos. De esta manera se requiere una pequeña cantidad de movimiento y fuerza para elevar o bajar la compuerta, lo que facilita su operación, ya sea manual o automática.

Figura 8.- Esquema de la sección transversal de una compuerta radial http://www.bdigital.unal.edu.co/9410/1/98619526.2013.pdf

Los puntos del esquema anterior corresponden a las siguientes partes que conforman a una compuerta radial: A. Eje de rotación. B. Centro de carga C. Mecanismo de alce. D. Cadena de izaje E. Nivel del embalse. Página 24

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1.4.2.- MECANISMO DE IZAJE Los mecanismos de izaje están constituidos por tres elementos principales: las cadenas de izar, el malacate y una grúa móvil. El malacate es un dispositivo mecánico, compuesto por un cilindro giratorio, impulsado manualmente o bien por una máquina, ya sea de vapor, eléctrica o hidráulica. A su vez el cilindro giratorio está unido a un cable, una cuerda o una cadena, que sirve para arrastrar, levantar y/o desplazar otros objetos. El mismo cuenta con una capacidad de carga de 60 toneladas y está conformado por un sistema de engranes reductores de velocidad, el cual tiene acoplado, por un lado, una flecha de transmisión de velocidad y, por otro, un sistema de piñones, también conocido como sproket. Asimismo, unido al eje del sistema reductor está incorporado un reloj indicador de altura, el cual permite observar la elevación a la que se encuentra abierta la compuerta. Por otra parte, las cadenas de izar están unidas desde el malacate hasta la compuerta. En el malacate por medio de los piñones o sprokets, y en la compuerta mediante el uso de acoplamientos metálicos o pines, sujetos a ojales soldados a la hoja de la compuerta. Una vez que el malacate se pone en marcha y se iza la cadena, ésta se desprende del sproket y es almacenada en un bastidor. En los eslabones de la cadena se encuentran instalados dos mecanismos tipo vástagos que viajan durante su izaje, con el propósito de accionar un Página 25

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interruptor de fin de carrera cuando la compuerta se encuentre totalmente abierta o cerrada. Por último, se cuenta con una viga de izaje equipada con un gancho de fijación automática, para el enganche o desenganche de los obturadores. Esta viga de izaje es manipulada por medio de una grúa móvil.

1.4.3.- MOTOR DEL MALACATE

En la parte en la que se encuentran los mecanismos de izaje está instalado un motor trifásico de inducción tipo jaula de ardilla, de 440 V, con potencia de 5 Hp, y una velocidad de 3600 rpm. Dicho motor está encargado de transmitir movimiento al eje giratorio del malacate por medio de una flecha de transmisión, ésta a su vez está conectada al sistema de engranes reductores, el cual se encarga de reducir la velocidad de 3600 a tan sólo 3 rpm. El motor tiene incorporado dos sistemas de freno, uno de tipo electromagnético y otro hidráulico.

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Figura 9.- Motor trifásico incorporado al malacate.

1.4.3.1.- FRENO ELECTROMAGNETICO

Los frenos electromagnéticos están incorporados al motor; trabajan de tal manera que cuando el motor no está conectado a la línea de alimentación éste se encontrara siempre frenado. En el funcionamiento del freno magnético intervienen varios elementos: una bobina electromagnética, un disco de fricción, incorporado a un piñón dentado en el eje del motor, y un juego de resortes incorporados a un plato metálico. El disco de fricción se sitúa entre el estator y el plato. El plato cuenta con unos bornes sobre los cuales se coloca un juego de resortes, y éstos a su vez están unidos a la bobina electromagnética. La presión mecánica que ejercen los

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resortes sobre el plato es aplicada por consecuencia al disco de fricción, lo cual provoca que el eje del motor se mantenga frenado. Al alimentar con energía, tanto al freno como al motor, se energiza la bobina del freno, generando una fuerza magnética que atrae al plato, venciendo así la presión de los resortes. De esta manera, es liberado el disco de fricción y, por ende, el eje del motor. Este freno tiene incorporada una palanca de desbloqueo manual que permite liberar el freno y la posibilidad de maniobra en ausencia de alimentación. Tiene además la finalidad de detener la inercia de giro que se transmite a los mecanismos de izaje, de esta forma se evita que la compuerta continúe subiendo o bajando, según sea el caso, aun después de haber terminado una maniobra.

Figura 10.- Estructura de freno electromagnético. http://www.transmisionestemperley.com/frenoselectromagneticos_monodiscotipofe.htm

1.- Disco de fricción 2.- Piñón dentado 3.- Plato Página 28

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4.- Resortes 5.- Bobina electromagnética

1.4.3.2.- FRENO HIDRAULICO DE MOTOR

El principio del freno hidráulico consiste en aprovechar la acción multiplicadora del esfuerzo ejercido sobre un líquido oleoso; el aumento de la presión ejercida sobre el líquido es trasmitido a través de un conductor a un dispositivo actuador (pistones, balatas de contracción interna o externa, mordazas o pinzas de freno). El mecanismo de freno controlado mediante la bomba hidráulica es de contracción externa, éste funciona mediante la fricción causada por un par de balatas que presionan a la superficie exterior de un plato de freno, que está conectado al eje de giro del motor. Dicha presión se obtiene gracias a la acción de un resorte, que empuja a las placas sobre las que se encuentran montadas las balatas. De esta manera, el mecanismo mantiene frenado el motor cuando éste es parado o se encuentra en reposo. Al momento de energizar el motor principal se pone en marcha la bomba hidráulica, la cual hace girar su rodete, dicho rodete manda aceite a presión a un cilindro. El aceite enviado al cilindro desplaza a un pistón, el cual mueve una palanca que vence a la presión ejercida por los resortes, liberando así las balatas del plato de freno y permitiendo que el motor gire.

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Figura 11.- Freno hidráulico http://www.monografias.com/trabajos81/diseno-de-frenos-contraccion-externa/diseno-de-frenos-contraccionexterna.shtml

1.- Eje del motor 2.- Plato de freno 3.- Balatas 4.- Deposito de aceite 5.- Rodete de la bomba 6.- Cilindro

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CAPITULO 2.- OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS ELECTRICOS DE LA OBRA DE CONTROL DE EXCEDENCIAS.

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En este capítulo se abordarán los temas relativos a los sistemas eléctricos de la obra de control, para lo cual resulta indispensable hacer mención de aquellos componentes que integran a dichos sistemas. Entre estos componentes se encuentran incluidos el motor de inducción, los circuitos eléctricos de fuerza y de control. Respecto a los motores, es útil conocer su funcionamiento, las fallas que comúnmente pueden presentarse y las medidas de protección existentes para evitarlas. En tanto a los circuitos eléctricos de fuerza y de control, se hará mención de los componentes que los conforman y de su principio de funcionamiento básico. Asimismo, este capítulo explicará lo referente a la operación lógica de maniobra de las compuertas. 2.1.- OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS

La operación de maniobra de compuertas para el desfogue de aguas en la obra de control se puede realizar de dos maneras, ambas se llevan a cabo mediante el accionamiento de los mecanismos de izaje. Dicho accionamiento puede realizarse de manera manual, en caso de que se presente una falla en la alimentación eléctrica. Para tales efectos, se utiliza un volante reductor incorporado en el malacate. De no existir falla alguna, el accionamiento se consigue a través de un motor eléctrico regulado bajo un sistema de control.

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Accionamiento manual mediante volante reductor de velocidad.

Accionamiento eléctrico mediante la puesta en marcha de un motor.

Figura 12.- Accionamiento de los mecanismos de izaje de manera manual o eléctrica. http://www.coutex.es/fileadmin/user_upload/coutex/PDF_Equipos/01_Compuertas.pdf

Para la realización de maniobras, el tipo de accionamiento que analizaremos es el que se lleva a cabo mediante la puesta en marcha de un motor regulado por un sistema de control. El motor eléctrico es considerado un elemento clave para la operación de maniobras y las características de éste se ajustarán a las necesidades de operación de la obra de control. De dichas características se desprenderá la correcta elección de los dispositivos que intervienen en la instalación eléctrica. Por tal motivo, se considera necesario entender el funcionamiento de los motores eléctricos, sus medidas de protección y mando. 2.2.- MOTOR ELECTRICO DE INDUCCION

El motor eléctrico de inducción es una máquina rotativa, capaz de convertir la energía eléctrica en energía mecánica, gracias a la inducción provocada por un campo magnético generado en los devanados del rotor y el estator. Los motores eléctricos están formados por chapas, apiladas en forma de cilindro en el rotor y en forma de anillo en el estator. El cilindro se introduce en el interior del anillo y, para que pueda girar libremente, hay que dotarlo de un Página 33

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entrehierro constante. El anillo cuenta con ranuras en su interior para colocar el bobinado inductor y se envuelve exteriormente por una pieza metálica llamada carcasa. El anillo se incorpora al eje del motor y puede estar ranurado en su superficie, esto permite colocar el bobinado inducido en el caso de los motores de rotor bobinado. O bien al anillo se encuentran incorporados conductores de gran sección, soldados a anillos del mismo material en los extremos del cilindro, similares a una jaula de ardilla, esto para el caso de motores de rotor en cortocircuito. El eje se apoya en unos rodamientos de acero para así evitar rozamientos y se prolonga al exterior para transmitir el movimiento, de igual manera, éste lleva acoplado un ventilador que controla la temperatura del motor. (Feito, 2002, pág. 214). (Eaton C. H., págs. 16-17) Los componentes que constituyen el conjunto de piezas de un motor eléctrico de inducción se pueden observar en la siguiente figura:

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Figura 13.- Componentes de un motor trifásico de inducción con rotor bobinado.

2.2.1.- COMPONENTES DEL MOTOR DE INDUCCION

A) ESTATOR. El estator es la parte fija del motor, en cuyo interior existen ranuras donde se colocan los devanados de cobre, por estos devanados circula corriente eléctrica que induce campos magnéticos que propician el movimiento del rotor.

B) ROTOR. El rotor es el elemento móvil del motor y se encarga de la conversión de energía eléctrica en mecánica. Los rotores están formados por un eje en donde se colocan devanados arrollados sobre un núcleo magnético. El motor eléctrico de Página 35

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inducción puede ser clasificado según el tipo de rotor que utilice, ya sea de rotor jaula de ardilla o de rotor bobinado. (Feito, 2002, págs. 214-215). 

Los rotores jaula de ardilla están compuestos por un grupo de barras de cobre o aluminio, alojadas sobres las ranuras en el hierro del rotor. Dichas barras se encuentran conectadas en cortocircuito a dos anillos planos en el extremo del rotor.



Los rotores bobinados están formados por un devanado polifásico aislado. Las terminales del devanado son llevadas al exterior a tres anillos rozantes (instalados en el eje del rotor), sobre los que se apoyan escobillas de carbono, de manera que las terminales resultan accesibles desde el exterior.

C) EJE DEL MOTOR El eje del motor es una pieza mecánica destinada a guiar el movimiento de rotación a una pieza (o conjunto de piezas), así como transmitir el par producido por la potencia del motor. D) RODAMIENTOS DEL MOTOR Los rodamientos son los elementos mecánicos del motor y se encargan de reducir las pérdidas por fricción que existe entre el eje y las piezas conectadas a éste, por medio de una rodadura que sirve de apoyo y facilita su deslizamiento. Página 36

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Las pérdidas por fricción están en función de la velocidad, nivel de carga e inercia a mover. Los rodamientos se ocupan de que estas pérdidas no representen un valor en el conjunto de pérdidas del motor. (Feito, 2002, págs. 214-215).

E) PLACA DE BORNES. Para la conexión a la alimentación, los motores eléctricos de inducción disponen de terminales que vienen desde el devanado del estator, dichas terminales son conocidas como placa de bornes o puntas. Podemos encontrar motores con terminales de 6, 9 y 12 puntas, dependiendo del diseño. Sobre éstas se podrá llevar a cabo el tipo de conexión que se requiera, ya sea conexión estrella, en triangulo o bien la combinación de ambas: estrella–triangulo. Las conexiones delta y estrellas son las más comunes y por tanto las más utilizadas, una conexión en delta se emplea con tensiones bajas, por lo regular a 220 V, mientras que las conexiones en estrella se utilizan para trabajar con tensiones elevadas, comúnmente a 440 V. Sobre la placa de bornes se puede realizar una conexión que permita la inversión de giro del motor, ésta se consigue mediante el intercambio de conexión entre una de sus fases, como se puede observar en la figura siguiente:

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Figura 14.- Conexión estrella y triangulo e inversión de giro sobre placa de bornes de 6 puntas.

2.2.2.- FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE INDUCCION

El principio de su funcionamiento se basa en la inducción de tensiones y corrientes en el rotor. Cuando se alimentan con corriente alterna las terminales del estator, la corriente fluye a través del devanado primario, induciendo una corriente en sentido opuesto al devanado secundario, siempre y cuando el devanado secundario esté cortocircuitado por una impedancia exterior. En ese momento se generan campos electromagnéticos entre el primario y secundario, originando el giro en la parte móvil del motor. El motor puede ser accionado mediante distintos tipos de arranque, esto con la finalidad de optimizar su funcionamiento y durabilidad, dependiendo de las condiciones particulares en las que sean empleados. (Feito, 2002, págs. 217-218)

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2.2.3.- TIPOS DE ARRANQUES EN MOTORES DE INDUCCION

Existen varios modos de arranque que logran poner en marcha los motores de inducción. Durante los procesos de arranque se presenta una elevación de la corriente, dicha elevación puede llegar a ocasionar caídas de tensión en las líneas de suministro e incrementos de temperatura. Debido a esto, se han implementado diferentes métodos de arranques para motores. Para que sea posible llevar a cabo el arranque de un motor, es necesario que el par de arranque sea superior al par resistente de la carga. (Feito, 2002, pág. 247) La selección del tipo de arranque dependerá del tipo de motor que se esté utilizando. Los tipos de arranque más empleados son los siguientes: A) ARRANQUE DIRECTO El arranque directo es el método más simple y

empleado, en este tipo de

arranque los devanados están conectados directamente a las líneas de alimentación y son accionados por un proceso de conmutación simple. Los valores de la corriente en el arranque directo tienden a ascender de 4 a 8 veces su valor nominal, que a su vez causan caídas en la tensión de la red. Este tipo de arranque es adecuado para motores pequeños o motores grandes con cargas fuertes en redes potentes, en los que la intensidad durante el arranque no representa problemas y no se consideran graves los esfuerzos sobre

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el motor, la máquina y la transmisión. (Merino Azcárraga, 1995, pág. 48). (Schneider, pág. 3). Las consecuencias en casos de arranque directos críticos pueden ser roturas de barras de rotor y fatigas en el bobinado del estator. El diagrama que representa la conexión de arranque directo de un motor es el siguiente:

Figura 13.- Esquema del circuito de fuerza con arranque directo. (Schneider, pág. 3)

B) ARRANQUE ESTRELLA-TRIANGULO El arranque estrella-triangulo de un motor trifásico se realiza mediante una transición entre las conexiones en los devanados. Esta conexión sólo es posible para motores que cuenten con las extremidades de cada uno de los tres devanados conectadas a la placa de bornes. Los puentes en la caja de bornes se omiten, y las 6 conexiones de la placa se conectan a la alimentación mediante la conmutación estrella-triángulo. Página 40

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Este arranque inicia con una conexión estrella y al bajar la corriente se conmuta a triángulo. Durante la conexión estrella, la tensión de los devanados individuales del motor se reduce en un factor de 1/√3 = 58% de su valor nominal. El par de arranque y la corriente de arranque en conexión estrella se ven reducidos a un tercio de los valores de la conexión triángulo. Por tal motivo, este tipo de arranque es adecuado para máquinas cuyo par resistente durante el arranque sea inferior a 1/3 del par motor. La transición automática de estrella-triángulo se realizará mediante un relevador temporizador en el contacto de línea. El tiempo de arranque en estrella dependerá de la carga del motor y debe continuar hasta que haya alcanzado cerca del 75 u 80% de su velocidad de funcionamiento, para así garantizar la aceleración necesaria en el cambio a triángulo. Con este método de arranque se logra reducir la corriente de línea durante el arranque a 1/3, con respecto al arranque directo, por lo que baja consecuentemente la caída de tensión en la línea. De igual manera, con este método se consigue suavizar los esfuerzos mecánicos sobre la máquina accionada y sobre la transmisión. (Merino Azcárraga, 1995, págs. 60-65) (Feito, 2002, pág. 251). (Schneider, pág. 4). El diagrama que representa la conexión de estrella - triángulo es el siguiente:

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Figura 14.- Esquema de arranque estrella-triángulo.

C) ARRANQUE CON AUTO-TRANSFORMADOR Este sistema de arranque consiste en alimentar el motor a tensión reducida a través de un autotransformador, de tal forma que, las tensiones aplicadas en los bornes, se reducen y van incrementando su valor durante el periodo de arranque hasta alcanzar el valor nominal de la tensión. La tensión reducida en los bornes dependerá de la relación de transformación del autotransformador, por lo general con derivaciones de 50, 65 y 85% de la tensión nominal. De igual forma, la corriente consumida por el motor en la etapa de arranque se reduce en la misma proporción que la tensión en los bornes (dependiendo de la relación de transformación del autotransformador).

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Las ventajas de este tipo de arranque se traducen en la disminución de la intensidad de arranque al valor especificado, pudiendo así elegir libremente la relación del autotransformador, así como también reducir el par motor para suavizar los esfuerzos mecánicos sobre la máquina y la transmisión; su disminución es proporcional a la reducción de la intensidad en la línea. Las ventajas de este método respecto al arranque estrella-triángulo se reflejan en la continuidad de la tensión en el motor durante la conmutación, la elección de la intensidad y del par deseado. (Merino Azcárraga, 1995, págs. 5660) (Feito, 2002, pág. 249). (Schneider, pág. 6) El diagrama que representa la conexión de arranque con autotransformador es el siguiente:

Figura 15.- Esquema de arranque con Auto-transformador.

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D) ARRANQUE CON RESISTENCIAS EN SERIE CON EL ESTATOR En este tipo de arranque se dispone de tres resistencias conectadas en serie con las líneas de alimentación. La caída óhmica en las resistencias hace que la tensión en los bornes del motor disminuya y, por consiguiente, baje la corriente absorbida y el par. La reducción del par que se logra estará en función de las resistencias utilizadas y la impedancia que tiene el motor a rotor parado. Durante el arranque, el motor es acelerado hasta que se acerca a la velocidad de funcionamiento nominal, en ese momento las resistencias se cortocircuitan y el motor queda alimentado a tensión nominal. Este método de arranque se emplea en motores pequeños o en aquellos en los que la maniobra de arranque no se realiza con gran frecuencia. (Merino Azcárraga, 1995, págs. 4954). El diagrama que representa la conexión de arranque con resistencia en serie al estator es el siguiente:

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Figura 16.- Esquema de arranque con resistencias en serie con el estator.

2.2.4.- PRINCIPALES FALLAS EN MOTORES Las fallas en los motores son un problema que se presenta recurrentemente cuando las condiciones de operación no son las correctas, o bien cuando se carece de medidas de protección complementarias. Estas fallas pueden ser de tipo mecánico o eléctrico.

2.2.4.1.- FALLAS MECANICAS

A) DESBALANCE MECÁNICO

El desbalance mecánico se presenta cuando existe un desalineamiento entre los ejes de la maquina eléctrica rotatoria y la maquina acoplada a ésta. El desbalance produce oscilaciones importantes en el par instantáneo requerido por el motor, Página 45

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produciendo fatiga en los elementos de transmisión. De igual manera, el desbalance puede ser provocado por sobrepeso en la sección transversal del rotor, provocando flexión en la flecha y deformación de los componentes del rotor. (Flores, 2010, pág. 75). B) FALLAS EN RODAMIENTOS Las fallas en los rodamientos son comunes en los motores y se manifiestan en vibraciones de alta frecuencia. Las fallas pueden ser ocasionadas por lubricación insuficiente o inadecuada, deficiencia del sistema de lubricación, penetración de partículas ajenas, desvíos de la instalación, flexión excesiva del eje o una combinación de todas éstas. Este tipo de fallas producen deformaciones en el entrehierro, dando lugar a fenómenos de excentricidad. (Flores, 2010, pág. 75). C) BLOQUEO DEL ROTOR Las fallas producidas por el bloqueo de rotor producen corrientes elevadas en el motor, similares a las que se presentan en el arranque del mismo. Cuando se presenta un bloqueo en el rotor, el motor se sobrecalienta y, debido a que el ventilador encargado de la refrigeración depende directamente de la rotación del motor, éste no tiene la capacidad de regular la temperatura. (Schneider, pág. 23). D) EXCENTRICIDAD La excentricidad es otra causa común de vibración en la máquina rotativa, ésta se produce cuando la línea central del eje no es la misma que la línea central del

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rotor. La excentricidad puede causar daños en el motor debido, sobre todo, al golpeteo entre el rotor y el estator, y puede ser de dos tipos: estática o dinámica. La excentricidad estática consiste en una distorsión en el tamaño del entrehierro, en el cual el valor mínimo de éste se encuentra en una posición fija en el espacio. Esta distorsión puede ser causada por la forma oval del estator o por un incorrecto posicionamiento del rotor dentro del estator, causado por desgaste de los rodamientos, mal apoyo de ellos, o malformación de los alojamientos. Por otra parte, la excentricidad dinámica significa que el punto de entrehierro mínimo no permanece fijo en una sola posición, sino que gira de igual manera con el rotor. Las principales causas de este comportamiento se deben a la posible forma oval del rotor, o al hecho de que el centro de giro del rotor no sea su centro geométrico. (Flores, 2010, pág. 75).

Figura 17.- Tipos de excentricidad en motores. (Flores, 2010).

a) Sin presencia de excentricidad b) Excentricidad estática c) Excentricidad dinámica

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2.2.4.2.- FALLAS ELECTRICAS.

A) CAIDA DE TENSION La caída de tensión es la disminución de la tensión nominal en un punto de la red de alimentación. Puede presentarse debido a varios factores. Uno de ellos, la selección del conductor inadecuado en la instalación, así como fallos en la alimentación. Las caídas de tensión pueden ser de corta duración, presentándose una disminución por debajo del 90% de la tensión nominal por un periodo menor a 3 minutos. Una de larga duración ocurre cuando el periodo excede los 3 minutos, en tanto que un microcorte ocurre cuando el periodo es de aproximadamente un milisegundo. (Schneider, pág. 19). B) FASES DESEQUILIBRADAS Un desequilibrio de fases puede deberse a varias razones: por un problema en la alimentación, por baja tensión en un circuito o bien por una ruptura de la resistencia del aislamiento de las bobinas del motor. Un sistema trifásico se encuentra equilibrado cuando sus fases tienen una amplitud de 120° entre cada una de ellas, cuando esta amplitud entre sus fases es diferente se dice que el sistema se encuentra desequilibrado. El desequilibrio de las fases genera campos magnéticos de secuencia positiva y de secuencia negativa en el estator, que determinan torques opuestos sobre el rotor. En esta condición el motor pierde eficiencia y produce fuertes Página 48

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corrientes que lo sobrecalientan, además deterioran las conexiones y reducen la cantidad de tensión suministrada, ocasionando un mayor consumo de corriente y un par más bajo. (Schneider, pág. 20). C) SOBRECARGA La sobrecarga es uno de los fallos más habituales que pueden presentarse en motores, y se manifiesta a través de un aumento de la corriente absorbida por el motor y de ciertos efectos térmicos producidos. Una condición de aumento de la corriente absorbida puede ser el resultado de varios factores tales como: altos o bajos voltajes, fallas a tierra, motor sobrecargado, rotor bloqueado o fallos en el sistema de enfriamiento del motor. (Schneider, pág. 23) El aumento en la corriente consumida eleva la temperatura (calentando el motor), lo que se traduce en fallas prematuras y en la reducción de la vida útil del motor hasta en un 50% (dependiendo de la gravedad del caso). D) CORTOCIRCUITO El cortocircuito se origina por la unión fortuita de dos líneas eléctricas sin aislamiento, entre las que existe una diferencia de potencial eléctrico (fase-neutro, fase-fase). Durante un cortocircuito el valor de la intensidad de corriente se eleva de tal manera que los conductores eléctricos pueden llegar a fundirse en los puntos de falla, generando chispas e incluso flamas. En los motores eléctricos los cortocircuitos se pueden presentar entre los embobinados del estator, debido al deterioro del aislante de los hilos que lo conforman.

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A continuación, se presenta un sumario de las causas de averías más frecuentes, sus efectos y posibles daños. CAUSA

EFECTO

POSIBLE DAÑO

SOBRE CARGA TERMICA: -Condiciones de arranque extrema -Rotor Bloqueado -Alta Sobrecarga -Baja tensión -Operación intermitente

Daños en empalmes soldados, Sobreintensidad e inaceptable jaula de rotor, bobinados calentamiento de los bobinados. quemado del estator.

PROBLEMAS DE ENFRIAMIENTO: -Enfriamiento nulo -Temperatura ambiente muy elevada

Inaceptable calentamiento.

Bobinados estator.

quemados

del

CAUSAS ELECTRICAS: -Condiciones de una sola fase -Tensión desequilibrada -Defecto a tierra -Espiras cortocircuitadas -Bobinado cortocircuitado

Desequilibrio, calentamiento sobreintensidad.

Bobinados individuales y quemados o parte de los bobinados, sobrecarga por cojinete averiado.

CAUSAS MECANICAS: -Cabeceo -Desalineamiento -Dispositivo o acoplamiento mal instalado

Desgaste de cojinetes desigual.

Cojinetes dañados

Tabla 2.- Causas de averías, efectos y posibles daños del motor. http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/wp/icg-wp001_-es-p.pdf

2.2.5.- ELEMENTOS DE PROTECCIONES Y MANDO EN MOTORES

La protección de motores es una parte fundamental de cualquier proceso en el que intervenga la utilización de un motor eléctrico. Sus principales objetivos son prevenir accidentes, fallas y pérdidas de equipo. Existen diferentes medidas de protección a motores, en su mayoría enfocadas a la protección de cortocircuitos,

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sobrecargas y pérdidas de fase. Para realizar tales protecciones se necesita la intervención de diferentes elementos, sea de protección, mando o conducción.

2.2.5.1.- ELEMENTOS CONDUCTORES

Los conductores son elementos que permiten conducir la corriente eléctrica de un punto a otro, esto a través de un circuito y cuando son sometidos a una diferencia de potencial eléctrico. Los conductores están hechos de materiales que ofrecen poca resistencia al movimiento de una carga eléctrica, como pueden ser el cobre, la plata, el oro, el hierro y el aluminio. Los conductores eléctricos más utilizados son los alambres, cables y cordones. Los alambres son conductores construidos con un sólo hilo (blando o endurecido), y pueden presentarse desnudos o revestidos de un material aislante. Los cables son un conjunto de alambres retorcidos no aislados entre sí. De igual manera, podemos encontrarlos desnudos o aislados, blandos o endurecidos. Por otro lado, se le llama cordón conductor al aislamiento de varios cables o alambres revestidos. Para que la electricidad que circula a través de los conductores atraviese con un mínimo de pérdida, se necesita hacer la elección del conductor adecuado, y estará en función del material del que esté formado, el grosor y la longitud que se necesite.

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2.2.5.2.- ELEMENTOS DE PROTECCIÓN

Los elementos de protección tienen como finalidad proteger a los operarios y a los dispositivos del circuito de los riesgos de manipulaciones inadecuadas o variaciones imprevistas en la corriente, tensión y temperatura. Los dispositivos de protección se encuentran en el circuito de fuerza y de control, y pueden ser interruptores termomagnéticos y/o relevadores. A) INTERRUPTOR TERMOMAGNETICO

Este dispositivo tiene la capacidad de permitir o interrumpir la corriente eléctrica del circuito de manera manual a través de un switch, o de manera automática cuando se sobrepasan ciertos valores máximos.

Figura 18.- Interruptor termomagnético tripolar.

Este tipo de interruptor funciona a través de un mecanismo de disparo de libre apertura y cierre rápido. El dispositivo cuenta con dos partes esenciales: un elemento magnético formado por una bobina (encargada de la protección contra cortocircuitos), y un elemento térmico, formado por una lámina bimetálica, Página 52

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encargada de la protección contra sobrecargas. De esta manera, se puede decir que existen dos tipos de desconexión del dispositivo: desconexión térmica y desconexión magnética. (Harper, 1996, págs. 151-153).



Desconexión térmica

La desconexión mediante el elemento térmico ocurre cuando la lámina bimetálica es deformada por la acción de una sobrecarga en el circuito. La deformación provoca el desenganche de los mecanismos de retención, abriendo los contactos del interruptor y, por consiguiente, el circuito. No es posible hacer el rearme del dispositivo hasta que la temperatura del bimetal descienda y vuelva a su forma original.



Desconexión magnética

La desconexión mediante el elemento magnético se presenta cuando se produce un cortocircuito, en ese momento la corriente que atraviesa el bobinado tiene una magnitud tal que provoca un deslizamiento del núcleo de la bobina, y éste a su vez acciona un mecanismo que realiza la apertura de los contactos. Las características que definen a este dispositivo son la tensión de operación, la capacidad de corriente y la curva de disparo.

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Figura 19.- Componentes del Interruptor termomagnético. http://www.tuveras.com/aparamenta/magnetotermico.htm

B) RELEVADOR TERMICO Los relevadores son dispositivos que sirven como elementos de protección a motores o circuitos eléctricos contra las sobrecorrientes débiles y prolongadas. Su misión consiste en optimizar la durabilidad de los motores, impidiendo que éstos funcionen en condiciones anormales de calentamiento, prolongando así la continuidad de uso del motor (evitando paradas imprevistas), además permitir volver a arrancar después de un disparo, con mayor rapidez y mejores condiciones de seguridad.

Figura 20.- Relevador térmico.

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Los relevadores incorporan en sus componentes contactos auxiliares normalmente abiertos (NA) y normalmente cerrados (NC) para su uso en el circuito de mando. Para efectos útiles en el circuito de potencia cuenta con tres contactos principales normalmente cerrados (NC). Los relevadores disponen de un selector que permite ajustar el rango de intensidad de protección, así como un botón de parada (STOP) y un botón de rearme (RESET). Los relevadores funcionan a través de tres contactos bimetálicos, uno para cada fase, los cuales se encuentran arrollados por bobinas calefactoras. Cuando por las bobinas circula una sobreintensidad, debido a una falla en el motor, las bobinas provocan un calentamiento térmico en el bimetal, el cual está formado por una lámina compuesta por dos metales de diferente coeficiente de dilatación; el bimetal se deforma al verse sometido a un aumento de temperatura, provocando el desplazamiento de una placa de fibra, la cual se encarga de producir el cambio o conmutación en los contactos del relevador. Su función es muy similar a la del interruptor termomagnético, con la diferencia de que la velocidad de corte no es tan rápida; la ventaja de este interruptor radica en que, de presentarse un pico de intensidad en el motor, siga trabajando mientras el pico de intensidad no se alargue en razón del tiempo. La elección del relevador adecuado dependerá del tiempo máximo que pueda soportar una sobreintensidad no admisible, y de que la intensidad del

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receptor (motor) se encuentre dentro del rango de ajuste de la intensidad del relevador. (Eaton C.-H. , págs. 11-12). (Harper, 1996, pág. 220).

Figura 21.- Componentes internos del relevador térmico.

2.2.5.3.- ELEMENTOS DE ACCIONAMIENTO Y MANDO

Los elementos de accionamiento son aquellos que permitirán manipular el paso de la corriente, abriendo o cerrando el circuito, sin necesidad de desconectar la alimentación. Dentro de esta clasificación se puede encontrar en el circuito eléctrico de fuerza y de control: contactos (principales y auxiliares), interruptores de final de carrera, pulsadores y selectores de posición.

A) CONTACTORES

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Los contactores son componentes electromecánicos que tienen la capacidad de cortar la corriente de un receptor o circuito, con la posibilidad de ser accionados a distancia. Los hay de dos tipos: principales y auxiliares. Los principales son utilizados en circuitos de iluminación y fuerza motriz con tensiones y potencias elevadas. Su simbología se identifica con una sola cifra del 1 al 6, y debido a su utilización son contactos normalmente abiertos (NA). Los contactos auxiliares son utilizados en los circuitos de mando o de control y su función es permitir el paso de la corriente a los contactos principales y a los elementos de señalización, por lo cual están diseñados para soportar intensidades pequeñas. Su simbología aparece identificada con dos cifras, como se indica a continuación:

a) 1 y 2, Contacto normalmente cerrado (NC). b) 3 y 4, Contacto normalmente abiertos (NA). c) 5 y 6, Contacto NC de apertura temporizada o de protección. d) 7 y 8, Contacto NA de cierre temporizado o de protección.

Figura 22.- Contactores principales y auxiliares. http://www.controlfr.com/marcas/steck/contactores_steck.pdf

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Internamente están conformados por láminas bimetálicas que funcionan como contactos, y además están unidos a una armadura móvil. Dicha armadura está incorporada a una bobina mediante un resorte de retorno. La bobina es un arrollamiento de alambre de cobre con un número considerable de espiras que, al aplicarle electricidad, genera un campo electromagnético que vence a la resistencia del resorte, atrayendo así a la armadura móvil y, por tanto, uniendo o separando los contactos. De igual manera, cuenta con un núcleo de material ferromagnético sólido en forma de ‘’E’’, el cual tiene como función aumentar el flujo magnético que genera la bobina para así atraer con más eficiencia a la armadura. (Eaton C.-H. , págs. 48). (Harper, 1996, pág. 219).

Figura 23.- Componentes internos del contactor.

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B) INTERRUPTOR DE FIN DE CARRERA

Los sensores de final de carrera son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos, y se encuentran situados al final del recorrido de un elemento móvil. Se encargan de mandar señales eléctricas, dependiendo la posición en que se encuentren, abriendo o cerrando el circuito. Internamente contienen interruptores NA, NC o conmutadores, dependiendo el fin para el que sean utilizados. Existen distintos tipos, sean de lengüeta, de bisagra, de palanca con rodillo, de varilla, de palanca metálica con muelle, de pulsador, entre otros. Funcionan a través de un accionador que se encuentra unido a una serie de contactos, al tocar un objeto con el accionador, el dispositivo mecánico activa a los contactos para establecer o interrumpir una conexión eléctrica. (Harper, 1996, pág. 167).

Figura 24.- Interruptor de final de carrera de palanca con rodillo.

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C) PULSADORES

Los pulsadores son dispositivos electromecánicos que permiten el flujo de corriente mientras se ejerce presión sobre ellos, cuando ésta desaparece vuelven a su posición de reposo. Funcionan mediante una lámina conductora -que establece contacto con las dos terminales al oprimir el botón- y un muelle -que hace recobrar a la lámina su posición primitiva al cesar la presión sobre el botón pulsador.

Figura 25.- Pulsador eléctrico.

2.2.6.- PLACA DE CARACTERISTICAS DEL MOTOR.

Respecto a las características específicas del motor, éstas quedarán establecidas en la placa y serán proporcionadas por el fabricante. Los datos que en ella aparezcan serán de utilidad para realizar la correcta selección de los dispositivos eléctricos al momento de la instalación o mantenimiento del circuito. Los datos que se encuentran, comúnmente, en las placas son los siguientes: a) Número de serie: Es el número exclusivo de cada motor o diseño para su identificación. b) Tipo: Combinación de números y letras para identificar el tipo de carcasa.

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c) Potencia: La potencia nominal que desarrolla el motor en su eje con un factor de servicio 1.0 ‘’sin pérdidas’’ (Hp). d) Carcasa: Dimensiones del motor normalizadas por NEMA o IEC. e) Factor de servicio: Es el porcentaje de trabajo al que puede someterse el motor sin que ocurran daños en el sistema de aislamiento, este porcentaje está en razón de la potencia nominal. f) Corriente: Indica la intensidad cuando el motor funciona a plena carga (corriente nominal) en condiciones de voltaje y frecuencia nominal (A). g) Voltaje: El valor de la tensión de diseño del motor (V). h) Aislamiento: Indica la clase de materiales utilizados en el devanado del estator. i) Velocidad: Velocidad de rotación del eje del motor cuando se entrega la potencial nominal (Rpm) j) Frecuencia: Es la frecuencia eléctrica del sistema de suministro para la cual está diseñado el motor (Hz) k) Servicio o uso: Indica el periodo de trabajo, que puede ser intermitente o continuo. l) Temperatura: Indica la temperatura ambiente máxima a la que el motor puede desarrollar su potencia nominal sin peligro (°C). m) Número de fases: Indica el número de fases con las que fue diseñado el motor, las cuales concordar con las del sistema de suministro de energía. n) Letra de código: Letra código equivalente a la corriente máxima de arranque (KVA). Página 61

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o) Diseño: Letra código que especifica los valores mínimos de par de rotación a rotor bloqueado, la corriente irruptiva máxima y el valor máximo de deslizamiento.

Figura 26.- Placa característica de un motor trifásico.

2.3.- SISTEMAS DE CONTROL

Un sistema de control es un conjunto de dispositivos encargado de administrar, ordenar, dirigir o regular el comportamiento de otro sistema, con el fin de reducir las probabilidades de fallo y obtener los resultados deseados. Por lo general, se usan sistemas de control en procesos de producción industriales para controlar equipos o máquinas. El sistema de control que será analizado se encarga de permitir la operación de las compuertas en la obra de control, este sistema está compuesto por un conjunto de dispositivos electromecánicos, encargados de controlar el funcionamiento de un motor eléctrico, por ello la importancia de conocer el Página 62

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principio del funcionamiento del motor eléctrico, sus posibles fallas y las protecciones que existen para que éstos operen de manera correcta. El sistema tiene como finalidad poner en marcha y paro al motor, protegerlo de fallas eléctricas y mecánicas, así como evitar condiciones riesgosas de operación. Dicho sistema de control permite la posibilidad de operar de dos maneras: ya sea local (en el sitio donde se encuentran las compuertas) o remota (en el centro de control de motores), utilizando la misma lógica de operación. Para poder describir la lógica de operación de las compuertas es necesario analizar los circuitos eléctricos del sistema de control. El circuito eléctrico de la obra se encuentra divido en dos partes: un sistema eléctrico de fuerza y un circuito eléctrico de mando.

2.3.1.- CIRCUITO ELECTRICO DE FUERZA

El circuito eléctrico de fuerza se puede describir como el conjunto de elementos que tienen como finalidad transmitir y abastecer de energía eléctrica al motor, así como protegerlo contras fallas como sobrecargas, cortocircuitos o pérdidas de fase. (Harper, 1996, pág. 146). En

el

circuito

de

fuerza

encontraremos

diversos

dispositivos

electromecánicos, las características de cada dispositivo dependerán directamente de las del motor, el cual trabaja a una tensión de 440 V, generando una potencia

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de 5 Hp, a una velocidad de 3600 rpm, e intensidad de corriente nominal de 30 A, esto en condiciones ideales de operación. Este circuito de fuerza es de arranque directo y con conexión en estrella, está diseñado para proteger al motor contra sobrecargas, cortocircuitos y permite a su vez realizar la inversión de giro del motor. El esquema de dicho circuito eléctrico se representa de la siguiente manera:

Figura 27.- Esquema de circuito eléctrico de fuerza con inversión de giro.

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Una vez conocidas las características principales del motor a controlar, se debe saber lo siguiente: 

La alimentación a la que está conectado el circuito es de alta tensión, coincidiendo con la tensión requerida por el motor (440 V).



El conductor utilizado para el circuito de fuerza es de tipo 4 AWG.



La protección contra sobrecorrientes y cortocircuitos está a cargo de un interruptor termomagnético de tipo tripolar, el cual soporta tensiones de hasta 690 V, con una corriente nominal de 30 A, un poder de corte de 25 KA y una curva de disparo de hasta 10 veces la corriente nominal, en caso de sobrecarga.



El accionamiento del motor y la selección de sentido de giro se llevará a cabo a través de dos contactores tripolares, fabricados para circuitos de AC 50/60 Hz, con tensiones de trabajo de hasta 690 V y corrientes nominales de 32 A. (Steck, 2013, pág. 46).



Se cuenta con una protección más, utilizada para sobrecargas débiles pero prolongadas, el dispositivo utilizado es un relevador térmico para circuitos de 50/60 Hz, con intensidades regulables de 17 a 25 A, y tensiones de trabajo de 690 V. (Steck, 2013, pág. 48).

La conexión del circuito eléctrico de fuerza inicia conectando las líneas de alimentación L1, L2 y L3 al interruptor electromagnético señalado con las siglas F1; dichas líneas entran a través de sus terminales 1, 3 y 5, saliendo por las terminales 2, 4 y 6. Como se muestra en la siguiente figura:

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Figura 28.- Conexión del interruptor termomagnético.

Posteriormente, encontraremos en el circuito dos contactores principales de tipo tripolar, la conexión que se realiza entre éstos permitirá realizar la inversión de giro del motor. Para diferenciar estos contactos se les asignaron las siglas KM1 y KM2. A las terminales del contactor KM1 llegarán las líneas de alimentación L1, L2 y L3 directamente, esto quiere decir que la fase L1 entra por la terminal 1 y sale por la terminal 2, la fase L2 entra por la terminal 3 y sale por la terminal 4, en tanto que la fase L3 entra por la terminal 5 y sale por la terminal 6. La conexión que se establece en el KM1 permite poner en marcha el motor con un sólo sentido de giro. Para realizar la inversión de giro es necesaria la intervención del contactor KM2, al cual una de las fases que llega a sus terminales estará invertida con respecto al contactor KM1, siendo así, la fase L1 permanecerá igual, entrando a la terminal 1 y saliendo por la 2; la fase L2 estará invertida y entrará a la terminal 5 y saldrá por la 6, y por consiguiente la fase L3 entrara a la terminal 3 y saldrá por la 4. La conexión que representa la inversión de giro del motor es la siguiente: Página 66

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Figura 29.- Conexión de inversión de giro en contactos principales.

Para el caso de la conexión del relevador térmico, en la conexión las fases de alimentación L1, L2 y L3 entran en las terminales 1, 3 y 5, y salen directamente por las terminales 2, 4 y 6, en caso de que el sentido de giro sea horario. En caso de que el sentido de giro sea antihorario, una de las fases llegará al relevador de manera invertida, por lo que la terminal 3 estará entrando a la fase L3 y saldrá por la terminal 4, y para el caso de la terminal 5 ésta entrará a la fase L2, la cual saldrá por la terminal 6. Quedando la conexión de la siguiente manera:

Figura 30.- Conexión del relevador térmico en el circuito de fuerza.

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Por último, se presenta la conexión del motor que, como se había mencionado, se encuentra conectado en estrella sobre una placa de bornes de seis puntas. El esquema de conexión se representa de la siguiente manera:

Figura 31.- Conexión tipo estrella en placa de bornes de seis puntas.

2.3.2.- CIRCUITO ELECTRICO DE CONTROL

Los circuitos eléctricos de control se pueden describir como un conjunto de dispositivos

encargados

de

administrar,

ordenar,

dirigir

o

regular

el

comportamiento de otro sistema, con el fin de reducir las probabilidades de fallo y obtener los resultados deseados. Se caracterizan por estar permanentemente capturando señales del sistema bajo su control y, al detectar anomalías en los parámetros pre-establecidos, actúan mediante sensores para llevar de vuelta al sistema a sus condiciones de operación normal. (Harper, 1996, pág. 146). El circuito de control implementado en la obra puede ser operado de manera local o remota, y tiene como finalidad realizar maniobras de ascenso, descenso y paro de las compuertas, así como evitar malas condiciones de operación mediante la implementación de medidas de seguridad. Estas medidas dependerán de las siguientes condiciones:

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A) La operación será interrumpida cuando la compuerta llegue a su límite de avance inferior (compuerta totalmente abajo). B) La operación será interrumpida cuando la compuerta llegue a su límite de avance superior (compuerta totalmente arriba). C) No se permitirá la operación cuando se encuentre desactivado el freno magnético del motor. D) No se permitirá la operación o será interrumpida cuando la flecha de transmisión se encuentre desplazada de su posición original. E) No se permitirá la operación cuando el malacate se encuentre posicionado para operación totalmente manual. F) No se permitirá la operación o será interrumpida cuando la cadena llegue a su límite de izaje.

Las condiciones mencionadas son controladas mediante dispositivos accionados al contacto e incorporadas en el circuito de control, el cual puede ser representado mediante el siguiente diagrama:

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Figura 32.- Circuito eléctrico de control.

El circuito de control dispone de distintos dispositivos, diseñados para trabajar con bajas tensiones. Los componentes que lo integran son los siguientes: 

Un transformador monofásico, el cual se alimenta por su lado primario a 440 V y proporciona a la carga en su lado secundario una tensión de 110 V.



El conductor del circuito de control es de calibre 12 AWG.



Se

dispone

de

dos

interruptores

termomagnéticos

bipolares

diseñados para tensiones de 200/400 V, con capacidad de ruptura de 3 KA y corriente nominal de 10 A. (Steck, 2013, pág. 45).

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

Interruptores de límite de carrera que soportan tensiones de hasta 600 V con corrientes máximas de 60 A.



Bloque de contacto para señaladores led, para tensiones de 220 V y que consumen corrientes iguales o menores a 20 mA. (Steck, 2013, pág. 25).



Bloques de contacto para pulsadores, diseñados para tensiones de 660 V con corrientes nominales de 10 A. (Steck, 2013, pág. 24).



Selector de tres posiciones.



Contactos auxiliares de 4 polos con 2 contactos NA y 2 contactos NC. (Steck, 2013, pág. 47).

2.3.3.- FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO ELECTRICO DE FUERZA Y CONTROL

Para poder poner en marcha al motor, y una vez descritos los componentes de los circuitos de fuerza y de control, es necesario conocer el funcionamiento de éstos. Para alimentar el circuito de fuerza bastará con accionar el interruptor termomagnético tripolar F1, colocando sus contactos en la posición NC.

Figura 33.- Posición NA y NC del interruptor termomagnético tripolar.

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La alimentación de la energía llegará hasta los contactos principales KM1 y KM2, los cuales se encuentran normalmente abiertos. Tales contactos son accionados mediante el circuito eléctrico de control.

Figura 34.- Contactos principales KM1 y KM2.

El circuito eléctrico necesita ser alimentado, esto se lleva a cabo cambiando de posición el interruptor termomagnético bipolar F3, que se encuentra aguas arriba del transformador monofásico (lado primario), posteriormente se acciona el interruptor termomagnético bipolar F4, que se encuentra aguas abajo del transformador (lado secundario).

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Figura 35.- Interruptores termomagnéticos del transformador en posición NA y NC.

En este punto, el paso de la corriente hacia el motor estará controlada por los interruptores de fin de carrera (IFC) S1, S2, S3, S4, S5 Y S6, los cuales detectarán la posición de los mecanismos del malacate, a fin de cumplir con las condiciones A, B, C, D, E y F, mencionadas en el apartado ‘’Circuitos eléctricos de control’’. En caso de no cumplirse con alguna de las condiciones anteriores, los IFC conmutarán de su posición inicial NC a su posición NA, abriendo el circuito e impidiendo el paso de la corriente, al mismo tiempo que enviarán una señal a través de los focos led correspondientes. Esto queda ejemplificado de la siguiente manera:.

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Figura 36.- Conexión de los interruptores de final de carrera en el circuito de control.

De cumplirse con todas las condiciones mecánicas de operación, podrá seleccionarse, mediante el selector de tres posiciones, el tipo de operación del sistema, ya sea de manera local o remota. Indistintamente del tipo de operación seleccionada, el circuito eléctrico de control funciona de la misma manera.

Figura 37.- Selector de tres posiciones para la operación local o remota.

Una vez seleccionado el tipo de operación, la corriente del circuito pasará por un contacto, normalmente cerrado, correspondiente al pulsador de paro, para que, de esta manera, en estado normal, permita el paso de la corriente en el circuito. Importante señalar que si es accionado conmuta su contacto a la posición NA, abriendo el circuito y, por consiguiente, impidiendo que la corriente llegue al motor.

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Figura 38.- Pulsador de ‘’Paro’’ del circuito de control.

Ahora bien, se necesita que el motor sea arrancado y permita obtener dos sentidos de giro, ya sea en sentido horario o antihorario. Esto se lleva a cabo conduciendo la corriente a través del contacto normalmente abierto NA de los pulsadores DER-L o IZQ-L, los cuales al ser accionados cierran sus contactos a la posición NC, para así permitir el paso de la corriente y energizar a las bobinas de los contactores principales y auxiliares KM1 y KM2. Para evitar que los dos pulsadores puedan ser accionados al mismo tiempo, provocando un cortocircuito en el sistema, se realiza un enclavamiento eléctrico. Este enclavamiento se lleva a cabo antes de energizar las bobinas de los contactos principales KM1 y KM2. Para el enclavamiento eléctrico del contactor principal KM1, la corriente será conducida a través de uno de los contactos NA del contactor auxiliar KM1, para después conducirla a través de uno de los contactos NC del contactor auxiliar KM2. En el caso del enclavamiento eléctrico del contactor principal KM2, la corriente será conducida a través de uno de los contactos NA del contactor auxiliar KM2, para, posteriormente, conducirla a través de uno de los contactos NC del contactor auxiliar contrario KM1. Página 75

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El esquema del enclavamiento eléctrico para ambos contactos es el siguiente:

Figura 39.- Enclavamiento eléctrico del circuito de control.

Podemos observar en la parte superior del esquema que la corriente no fluye a través del circuito, ello debido a que los contactos inmediatos se encuentran normalmente abiertos. Sin embargo, al accionar el pulsador DER-L o IZQ-L, el contacto conmuta a la posición NC, cediendo de esta manera el paso de la corriente a la bobina del contactor seleccionado y, además, pasando por el contacto normalmente cerrado del contactor contrario. Una vez energizada la bobina se encenderá el led correspondiente para indicar que se encuentra en

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operación y todos los contactos gobernados por ésta, tanto del circuito de fuerza como del circuito de control, conmutarán con respecto de su posición original. Lo anterior puede ser observado en la siguiente figura del esquema eléctrico de fuerza y de control:

Figura 40.- Accionamiento del contactor principal ‘’KM1’’ mediante el pulsador ‘’DER-L’’.

Una vez que se encuentra en pleno funcionamiento el motor, mediante la protección proporcionada por el relevador térmico F2, se detectarán sobrecargas en caso de que se presenten, conmutando de esta manera dos de sus contactos, uno normalmente cerrado, que abre el circuito e impide el paso de la corriente al

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motor, y otro normalmente abierto, que conmuta a la posición normalmente cerrada y alimenta al señalador led de sobrecarga. El diagrama que representa al relevador en caso de presentarse una sobrecarga, es el siguiente:

Figura 41.- Conexión del relevador térmico en el circuito de fuerza y circuito de control.

De cumplirse con todas las condiciones mecánicas de operación, y mientras ninguna de las protecciones eléctricas se encuentre disparada, el sistema funcionará sin inconveniente alguno.

2.4.- OPERACIÓN LOGICA DE LAS COMPUERTAS

La operación de las compuertas en la obra de control puede ser llevada a cabo de manera local, ello gracias a un panel de control ubicado en la parte frontal de los mecanismos de izaje, o bien de manera remota a través de un panel, ubicado en el centro de control de motores (CCM), ambas operaciones utilizan la misma lógica. Página 78

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Antes de comenzar con el procedimiento de operación de las compuertas, ya sea para la apertura o cierre, es necesario conocer la señalización de los paneles de control, los cuales a través de indicadores led señalarán el tipo de falla que se pueda presentar.

2.4.1.- PANEL DE CONTROL

Se cuenta con un panel de control para la realización de maniobras para cada una de las compuertas de la obra de control y excedencias, ya sea que se ubiquen en el sitio o en el CCM. Estos páneles están conformados por un selector de posición para la operación local o remota, un pulsador para las maniobras de apertura, un pulsador para las maniobras de cierre y otro pulsador para la maniobra de paro. Además de contar con seis indicadores led para la señalización de fallas mecánicas.

Figura 42.- Panel de control de operación del malacate.

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2.4.2.- INDICADORES Y DETECCION DE FALLAS MECANICAS

Los indicadores led señalan las fallas o condiciones de la manera siguiente: 

Led rojo 1: Se encarga de indicar que la compuerta se encuentra cerrada o llega a su límite de avance inferior (compuerta totalmente abajo). Esta no se considera una falla como tal, sin embargo, sí es una condicionante de operación. El interruptor encargado de censar la posición está configurado para desactivarse cuando la altura de la compuerta haya alcanzado como mínimo 0.5 m de altura.



Led rojo 2: Se encarga de indicar que la compuerta ha llegado a su límite de avance superior (compuerta totalmente arriba). Activado el interruptor, la compuerta no podrá subir más y, caso contrario al anterior, para desactivarse la compuerta tendrá que bajar como mínimo 0.5 m de su altura máxima. Estos interruptores se encuentran acoplados al mecanismo del reloj indicador de altura.

Figura 43.- Interruptor de final de carrera número 1 y 2 ‘’Limite de compuerta arriba y abajo’’.

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

Led verde 3: Este indicador está encargado de señalar cuando se encuentre desactivado el freno magnético del motor. El interruptor encargado de detectar esta condición se encuentra acoplado a la palanca del freno magnético del motor.

Figura 44.- Interruptor de final de carrera número 3 ‘’Freno magnético’’.



Led verde 4: Este indicador señala, mediante la activación del interruptor de fin de carrera, que la flecha de transmisión se encuentre desplazada de su posición original en forma horizontal.

Figura 45.- Interruptor de final de carrera número 4 ‘’Avance de flecha’’.

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

Led verde 5: Estará encendido cuando el interruptor de fin de carrera detecte que el malacate se encuentre posicionado para operación totalmente manual. El interruptor está acoplado a la manivela que libera el volante reductor del malacate.

Figura 46.- Interruptor de final de carrera número 5 ‘’Accionamiento manual del malacate’’.



Led verde 6: Este indicador estará encendido cuando el interruptor de fin de carrera detecte que la cadena ha llegado a su límite de izaje.

Figura 47.- Interruptor de final de carrera número 6 ‘’Limite de izaje de la cadena’’.

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2.4.3.- PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN DE LAS COMPUERTAS

Para realizar las maniobras de operación de ascenso, descenso y paro de las compuertas de la obra de control, se tendrá que realizar la siguiente secuencia de pasos: 1. Energizar el interruptor principal que alimenta todas las compuertas, dicho interruptor se encuentra alojado en la primera sección del CCM. 2. Se procederá a verificar el voltaje de operación mediante un voltímetro instalado en la parte central del panel de control del CCM. El voltaje tendrá que encontrarse en un rango de 440 a 480 V. 3. Verificado el voltaje de operación, se procederá a energizar los interruptores termomagnéticos de los circuitos de fuerza y control de la compuerta que requiera ser operada. 4. Mediante un botón de prueba, se procederá a revisar que los leds indicadores se encuentren funcionando correctamente y no estén fundidos. 5. Una vez verificado el funcionamiento de los indicadores leds, se procederá a escoger mediante el selector de tres posiciones, el tipo de operación que se requiere, local o remota. 6. Indistintamente del tipo de operación seleccionada, el único indicador que tendrá que encontrarse encendido al momento de iniciar las maniobras de operación será el indicador ‘’led rojo número 1’’.

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7. Para iniciar la maniobra de ascenso se presionará el pulsador de color verde, denominado ‘’subir’’, en ese momento la compuerta comenzará la maniobra de ascenso. 8. Cuando la compuerta alcance la posición de límite de compuerta totalmente abierta, ésta se detendrá automáticamente por medio del accionamiento del IFC-2, al mismo tiempo que se encenderá el ‘’led rojo número 2’’. 9. Si la compuerta fallara en detener con el accionamiento del IFC-2, ésta se detendrá por medio del accionamiento del IFC-6, al mismo tiempo que se encenderá el indicador ‘’led verde número 6’’. 10. Si la flecha de transmisión del motor se desplazara de su posición original durante la maniobra de ascenso, la compuerta automáticamente se detendrá debido al accionamiento del IFC-4, al mismo tiempo que se encenderá el indicador ‘’led verde número 4’’. 11. Si el motor del malacate se encontrara sometido a sobrecarga debido a condiciones inusuales de operación, la compuerta automáticamente se detendrá debido al accionamiento del relevador térmico del circuito de fuerza. 12. La apertura de la compuerta será monitoreada mediante el reloj indicador, instalado en la parte lateral derecha del malacate. 13. La maniobra de paro se realiza presionando el pulsador denominado ‘’Paro’’, en ese momento la compuerta será detenida independientemente de la posición en que se encuentre.

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14. En caso de que la compuerta no fuera detenida mediante el accionamiento del pulsador de ‘’paro’’, se desconectará el interruptor termomagnético, ubicado en el CCM, que alimenta directamente a la compuerta en operación.

15. Detenida la compuerta en la posición requerida, el cierre de ésta se lleva a cabo mediante el accionamiento del pulsador denominado ‘’bajar’’, en ese momento la compuerta comenzará la maniobra de descenso.

16. Cuando la compuerta alcance la posición de límite de compuerta totalmente abajo, ésta se detendrá automáticamente por medio del accionamiento del IFC-1, al mismo tiempo que se encenderá el ‘’led rojo número 1’’.

La figura que muestra el panel de control ubicado en el CCM, es la siguiente:

Figura 48.- Panel de control del CCM.

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Esta secuencia de pasos se aplica para la maniobra de todas las compuertas de la obra de control y excedencias, indistintamente.

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CAPITULO 3.REHABILITACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS MECANISMO DE LA OBRA DE CONTROL DE EXCEDENCIAS

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Este segmento del trabajo describe lo referente al mantenimiento que se realiza sobre los sistemas mecánicos y eléctricos de la obra de control y excedencia. La descripción aquí presentada se basará en el método de mantenimiento de conservación. El mantenimiento en el ámbito de la ingeniería es de suma importancia, puesto que de un buen mantenimiento depende el funcionamiento eficaz y la durabilidad de los mecanismos, componentes o dispositivos involucrados. En el caso de las presas y sus obras complementarias, el mantenimiento atiende a la necesidad de asegurar sus condiciones de operación, ya que una sola falla en uno de sus componentes puede afectar de forma grave la integridad de todo el sistema. El tipo de mantenimiento implementado en estos sistemas será de conservación, el cual a su vez puede ser de tipo correctivo o preventivo. El mantenimiento de conservación correctivo se refiere al que se realiza posterior a la detección de una avería imprevisible e inoportuna. Por otro lado, el mantenimiento de conservación preventivo se realiza antes de presentarse alguna falla, éste es destinado a garantizar la fiabilidad del funcionamiento y la durabilidad de los equipos, dispositivos o mecanismos con los que se trabaje. Dentro de la obra de control, los mantenimientos correctivos y preventivos estarán enfocados tanto a los componentes mecánicos como a los eléctricos.

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3.1.- MANTENIMIENTO PREVENTIVO A SISTEMAS MECANICOS.

3.1.2.- LUBRICACION DE MECANISMOS DE IZAJE Para realizar la lubricación de los mecanismos de izaje, cadenas, sproket y engranes reductores de velocidad, de manera previa se realiza una revisión y limpieza de sus componentes, a fin de detectar y cambiar, en su caso, las piezas que se encuentren dañadas. Los sistemas deben ser limpiados, aplicando diésel o gasolina, hasta que se encuentren libres de grasa, tierra o cualquier objeto que impida la adecuada aplicación del lubricante sobre las superficies a engrasar. El lubricante utilizado para las cadenas y sprokets es de tipo ISO-680, el cual posee cualidades anticorrosivas, inhibidoras de oxidación, desemulsificantes y antiespumantes, así como propiedades que permiten su uso en mecanismos que trabajan en condiciones de operación critica con altas presiones. La aplicación del lubricante se realiza sobre las superficies de los mecanismos expuestos al aire y sobre las superficies sumergidas o en contacto con el agua.

Figura 49.- Limpieza de los mecanismos de izaje.

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Para el caso de los reductores de velocidad, se revisa cada uno de los depósitos laterales de aceite, con ello se determina el estado en el que éste se encuentra, a la vez que se verifica el suministro en los depósitos. Dicha revisión permite tener la certeza de llevar a cabo el cambio de aceite, sea en su totalidad o de manera parcial. El aceite utilizado para los reductores de velocidad será de tipo SAE-140, formulado para engranes de transmisiones y diferenciales.

Figura 50.- Lubricación a mecanismos de izaje y sistemas reductores de velocidad.

3.1.3.- REHABILITACION DE PINTURA DE COMPUERTAS Y OBTURADORES

Para la rehabilitación de la pintura en compuertas y obturadores se realiza una revisión y limpieza de las superficies de las caras externa e interna. Sobre las superficies que presentan desgaste u oxidación se realiza la remoción de la pintura dañada. Dicha remoción se lleva a cabo utilizando una técnica llamada sandblasteado, la cual consiste en lanzar a presión un material abrasivo (por lo general arena sílica) sobre superficies normalmente metálicas. Este método de limpieza permite eliminar impurezas como óxidos, grasas y pintura, además de

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generar sobre la superficie aplicada un perfil de rugosidad, el cual permite obtener una mejor adherencia de los recubrimientos anticorrosivos a utilizar. La superficie limpia no deberá presentar restos de pintura dañada, polvo, grasa, humedad, aceite o cualquier otro contaminante. El anticorrosivo aplicado sobre las superficies metálicas será un revestimiento epóxico con alto contenido de sólidos. El anticorrosivo aplicado cuenta con tres películas de recubrimiento, una película de aplicación primaria, una de enlace y una de acabado, las cuales deben tener en conjunto un espesor mínimo de 14 mm.

Figura 51.- Medición de espesores de pintura de compuertas radiales.

3.2.- MANTENIMIENTO PREVENTIVO A SISTEMAS ELECTRICOS

3.2.1.- MANTENIMIENTO A CIRCUITOS DE FUERZA Y CONTROL.

Para el mantenimiento de los componentes eléctricos, es necesario que se realice una inspección visual, a fin de buscar daños físicos en los componentes. Este Página 91

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mantenimiento abarca desde una inspección y limpieza en general, hasta la revisión de cada uno de los componentes que integran el sistema. La inspección visual de los componentes eléctricos constará de los siguientes pasos: 

Se debe dar mantenimiento o remplazar los componentes cuando en la inspección visual se observen daños por calentamiento, arco eléctrico, quemaduras o suciedad.



Se debe comprobar que no existan elementos térmicos mal conectados y, de ser necesario, apretar todas las terminales para evitar que se disparen erróneamente por calentamiento.



Se debe revisar el buen estado de las terminales de los interruptores, contactores y relevadores, a fin de evitar degollamientos y, en consecuencia, falsos contactos.



Se debe revisar el buen estado de los conductores, verificando que no presenten deterioro por calentamiento en el aislamiento o el metal.



Se debe verificar que el voltaje y el amperaje de entrada y salida en el interruptor principal sobre cada una de las fases, sea el requerido por el diseño del circuito.

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Figura 52.- Componentes del circuito eléctrico de fuerza y mando.

3.2.2.- MANTENIMIENTO A MOTOR ELECTRICO.

Para el mantenimiento del motor eléctrico se debe de realizar una inspección periódica frecuente que abarque las siguientes actividades: 

La lubricación de los rodamientos se debe realizar para así evitar el contacto metálico entre los cuerpos girantes, así como para proteger a los mismos de oxidación y desgaste.



Se debe verificar las vibraciones del motor. Valores bajos de vibraciones indican que no hay cambios en la geometría de las masas rotantes, ni en la alineación y fijación del motor.



Se debe verificar la fijación del motor, los elementos de acoplamiento y transmisión a los que está unido, a fin de evitar el desbalance mecánico de la máquina.

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

Se debe verificar la constante de intensidad de la corriente consumida por el motor cuando funciona a plena carga, y de manera simultánea las corrientes existentes entre fases. Si se observan fluctuaciones de la corriente consumida se procede a la revisión de la jaula del rotor, mientras que, si se observan diferencias entre las corrientes de fase, se revisa el bobinado estatórico.



Deben ser revisados los valores de la tensión aplicada en los bornes del motor.



Se debe realizar la limpieza exterior de la carcasa del motor, a fin de permitir el correcto intercambio de calor entre la máquina y el medio ambiente.

3.3.- MANTENIMIENTO CORRECTIVO.

El mantenimiento correctivo se realiza en aquellos componentes eléctricos y electromecánicos sobre los cuales no se pueden prever fallas. Dependiendo la avería que se presente se realizará la reparación o sustitución del componente del que se trate.

Figura 53.- Reposición de interruptor de fin de carrera (1).

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Figura 54.- Reposición de interruptor de fin de carrera (2).

Las medidas de seguridad, en cualquier ámbito, tienen la finalidad de prevenir pérdidas económicas y humanas, por ello, este apartado, aunque breve, es de suma importancia en este trabajo, puesto que con él se busca enfatizar la necesidad de tener presente métodos que conlleven a operar sistemas sin riesgo alguno.

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CONCLUSIONES

De la necesidad de operación de una presa se desprende una serie de métodos de control y protección en las obras complementarias que la conforman. Respecto a los sistemas eléctricos implementados en la obra de control, su importancia es tal que, de no existir un correcto desempeño y funcionamiento de éstos, una presa podría volverse completamente inoperable. La finalidad de los sistemas eléctricos gira en torno a la protección y mando de motores, los cuales están ligados a los mecanismos que controlan las compuertas. Es aquí donde el conocimiento de los distintos métodos de protección y control de motores se vuelve indispensable, ya que una falla condiciona la integridad de toda la obra. Por tal motivo, conocer el comportamiento de un motor eléctrico, sus aplicaciones y posibles fallas, es de vital importancia para seleccionar las correctas medidas de protección que permitan prolongar la durabilidad de los equipos, mecanismos y dispositivos que intervienen en los sistemas de control, a fin de evitar emergencias y consecuencias negativas.

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