Maniobras en Instalaciones de Alta Tensión (Parte 1ª)

1.- Subestaciones Eléctricas 

Se denominan con el nombre de Subestaciones Eléctricas al conjunto de equipos destinados a dirigir el flujo de energía eléctrica, en un punto de la red en el que confluyen líneas (conectan nudos lejanos de igual tensión) y transformadores (conectan nudos cercanos de distinta tensión).

El conjunto de la instalación está formada por la aparamenta eléctrica y los edificios necesarios para realizar alguna de las funciones siguientes: transformación de la tensión, de la frecuencia, del nº de fases, rectificación, compensación del factor de potencia y conexión de dos o más circuitos.

1.1.- Equipos principales de la instalación:

Transformadores – seccionadores – interruptores – aparatos de medida – condensadores – autoválvulas – Edificio de control (celdas, cuadros de control, etc.) – galerías de cables – parque exterior – pórticos – celdas AT – celdas MT

1.2.- Tipologías de Subestaciones Eléctricas 

La innovación tecnológica y el conocimiento de nuevos medios dieléctricos aplicables a los diferentes elementos que componen una subestación eléctrica permiten reducir las distancias y compactar las dimensiones totales de las subestaciones eléctricas. 

Dicho hito permite clasificar las subestaciones eléctricas en dos grandes grupos: 

• Subestaciones Convencionales.
• Subestaciones Blindadas Sistema G.I.S (SF6). 

Ambos tipos de subestaciones pueden clasificarse según el emplazamiento que ocupen en: 

• Subestaciones de Intemperie. 
• Subestaciones de Interior. 

Figura 1: Subestación GIS de Interior

Rigiéndose por criterios económicos, hoy en día las Subestaciones Convencionales se disponen de tipo Interior en el caso de que la tensión sea igual o inferior a 36 kV, siendo lo habitual el uso de cabinas prefabricadas del tipo “Metal Clad” o “Metal Enclosure” para dichos valores de tensión. 

Por otro lado lo habitual es disponer de Subestaciones Convencionales de tipo Intemperie cuando nos encontramos en un rango de tensiones entre 45 y 765 kV.

Figura 2: Subestación de Intemperie

Las Subestaciones Blindadas de Sistema G.I.S se utilizan tanto para Intemperie como en Interior. 

2.- Maniobras en las Instalaciones eléctricas

Se conocen con el nombre de maniobras las operaciones voluntarias que provocan un cambio de estado en una instalación o equipo eléctrico por medio de operaciones sobre los elementos de corte de las Subestaciones Eléctricas, bajo la coordinación del Despacho de Explotación (DE) o del Centro de Maniobras de Distribución (CMD). 

Se pueden distinguir: 

• Maniobras de explotación: su objetivo es modificar el estado de una instalación o equipo eléctrico, desde el punto de vista de su funcionamiento y operatividad dentro de la red, por necesidades de su explotación. 
• Maniobra de seguridad: su objetivo es garantizar la seguridad de los operarios que efectúan trabajos sobre una instalación o equipo eléctrico. 

En la realización de maniobras existe una comunicación verbal o escrita entre las personas que ordenan las maniobras y aquellas que las ejecutan. Para ello se utiliza un vocabulario particular que es necesario conocer. 

Figura 3: Despacho de Explotación

2.1.- Vocabulario y Definiciones: 

2.1.1.- Instalaciones

• Estación o Subestación: Denominaciones que se emplean para designar un conjunto de instalaciones eléctricas, ubicadas en un mismo lugar y en las que se lleva a cabo la interconexión de líneas y/o la transformación de energía eléctrica a otros niveles de tensión (Estación de Central, Subestación Receptora, Estación Primaría, Subestación de Transformación, etc.).
• Despacho de Explotación (DE) o Centro de Maniobras de Distribución (CMD): Es la oficina que asume el control permanente del estado de la red a ella asignada y ordena las maniobras que hay que efectuar, para lograr que la explotación sea lo más segura y racional posible.
• Instalaciones: Conjunto de equipos generadores, transformadores, salidas de línea de una central, Subestación o Centro, etc. y que según su valor nominal de tensión se clasifican en instalaciones de baja tensión (tensiones nominales iguales o inferiores a 1000 V. en corriente alterna y 1500 V. en continua) y en instalaciones de alta tensión (tensiones nominales superiores a 1000 V en corriente alterna y 1500 V en continua).
• Campo - Bahía ó Módulo. Es el conjunto de equipos de potencia que al ser operados manual o automáticamente (ante consignas o ante faltas) modifican en la Subestación la conectividad de líneas, transformadores, grupos generadores, acopladores de barras, bancos de condensadores, etc.
• Centro: Punto de interconexión entre líneas de Distribución, para suministro o transformación de energía eléctrica. La palabra “Centro” se emplea para designar un centro de Reparto, Centro de Maniobra, Centro de seccionamiento, Centro de medición, Centro de Transformación.
• Salida: Conjunto de aparatos y conexiones que enlazan una instalación (línea, transformador, etc.) a los juegos de barras. La palabra “Salida” se emplea sea cual sea la función de la línea, transformador, etc. en la Estación considerada. Sin embargo, si esta función es únicamente la de llevar energía a la Estación o Centro está permitido reemplazar “Salida” por “Entrada”.
• Línea Aérea: canalización aérea que sirve para el transporte o la distribución de energía eléctrica,. La línea empieza en los seccionadores de cabeza de línea, excluidos estos.
• Línea Subterránea: canalización subterránea de energía eléctrica. Empieza en los seccionadores de cabeza de línea, excluidos estos.
• Fuente de tensión: Se denomina fuente de tensión a cualquier elemento de una instalación eléctrica por el cual llega una tensión. 
• Posible fuente de tensión: Se entiende por posible fuente de tensión a cualquier elemento de una instalación eléctrica por el cual puede llegar una tensión y que en condiciones normales no está previsto que llegue. Se considera dentro del concepto de posibles fuentes de tensión a la tensión de retorno. Esta tensión de retorno puede ser originada por: dobles suministros de la Compañía Eléctrica, producción de energía en industrias, caída de conductores en cruzamientos de líneas, fenómenos de inducción, descargas atmosféricas…

2.1.2.- Estado de las instalaciones

• Instalación en servicio: Es aquella que se halla en tensión y es utilizada para la explotación.

Deben distinguirse dos tipos de instalaciones en servicio:

a) Sólo en tensión: Es aquella instalación en tensión que no tiene conectada ninguna carga externa (tensión en vacío).

b) En carga: Instalación en tensión por la cual circula una corriente de carga considerable.

NOTA: en condiciones normales, no podrá retirarse de servicio ninguna instalación, sin la autorización del DE o CMD.

Sin embargo, en caso de fuerza mayor (peligro de vidas humanas, incendio, deterioro de las instalaciones, etc.) el personal responsable de la vigilancia de las instalaciones deberá, sin consultar con el DE o CMD, ejecutar a su criterio y bajo su responsabilidad, las maniobras precisas para eliminar el peligro, informando, una vez tomadas las medidas de urgencia, de lo ocurrido y situación en que se encuentra el servicio e instalaciones a quién corresponda.

• Instalación fuera de servicio: Es aquella instalación que por cualquier motivo, ha sido separada de la red y se halla sin tensión (instalación sin servicio).

Cabe distinguir tres tipos de instalación fuera de servicio:

a) Disponible

b) Indisponible

c) En consignación o descargo:

1. Zona protegida
2. Zona de Trabajo

• Disponible: Es la situación en que se halla una instalación que estando fuera de servicio, puede ponerse en tensión en todo momento, a requerimientos del DE o CMD, según se trate de la red de Transporte o de distribución.
• Indisponible: es la situación en que se halla una instalación que no puede ponerse en tensión sin la autorización del Jefe de la Instalación. Una vez recibida esta autorización pasa a estado de instalación disponible.

NOTA: el hecho de que una instalación esté indisponible, no autoriza a efectuar trabajos en la misma.

• En consignación o descargo: Una instalación está en descargo cuando está aislada por corte visible de las fuentes de tensión.

Además, si es posible, deben estar bloqueados en posición abierta todos los aparatos de corte y siempre señalizados de la forma adecuada.

Una instalación consignada o en descargo no está aún en condiciones admisibles para trabajar en la misma.

Dejar una instalación en descargo es facultad exclusiva del DE o CMD y se consigue por la ejecución de las maniobras que ordenan.

• Zona protegida: dentro de una instalación en descargo puede generarse una “Zona Protegida” siempre y cuando, ésta esté delimitada por puestas a tierra y en cortocircuito, en todos sus extremos, por el lado de las “posibles fuentes de tensión”.

Una Zona Protegida no puede considerarse una Zona de Trabajo

Figura 4: Instalación en descargo y delimitada por sendas puestas a tierra que determinan la “zona protegida”. Una “zona protegida” no está aún en condiciones admisibles para trabajar en ella.

Definir en una instalación en descargo una zona protegida es una facultad exclusiva del DE o CMD. 

Esta facultad debe entenderse como el resultado de juicio a que llega el Operador del DE o CMD que, por un lado, conoce las maniobras de apertura ejecutadas y, por otro, a través de la comunicación con el futuro responsable de la zona protegida (“Agente de Descargo”), que informa sobre las conexiones a tierra efectuadas. Debe entenderse que dicha información certifica al mismo tiempo que las conexiones a tierra son suficientes y adecuadas, según el “Agente de Descargo”, para delimitar la zona en que va a actuar. 

Una instalación sólo puede ser entregada por el DE o CMD al “Agente de descargo” en forma de Zona Protegida tras comunicarle y analizar detalladamente la situación en que ha quedado la instalación, indicando los puntos en donde se han efectuado los cortes visibles y las puestas a tierra y confirmando que, por parte suya, no se ordenará a partir de aquel momento, ninguna otra maniobra que modifique la situación antes definida sin el conocimiento y aprobación previos del “Agente de Descargo”. Con ello queda definida la “Zona Protegida” de la instalación en descargo. 

• Zona de Trabajo: Puede coincidir total o parcialmente con la Zona Protegida de una instalación en descargo. Está caracterizada por estar limitada por puestas a tierra y en cortocircuito de todas las posibles fuentes de tensión inmediatas al lugar donde se van a desarrollar los trabajos. Las conexiones a tierra y en cortocircuito que limitan la “Zona de Trabajo” pueden coincidir con las conexiones a tierra y en cortocircuito de la “Zona Protegida”. 

Autorizar la creación de una o varias “Zonas de Trabajo” es una atribución del “Agente de Descargo”. 

Sólo pueden desarrollarse trabajos dentro de la Zona de Trabajo.

Figura 5: “Zona de Trabajo” delimitada por sendas puestas a tierra dentro de la “zona protegida”. En la “Zona de Trabajo” si pueden realizarse trabajos.

El “Agente de Descargo” entrega al “Jefe de Trabajo” instalaciones en descargo y protegidas, vinculándose ambos mediante el correspondiente volante de entrega y devolución de “Zona Protegida”. 

El “Jefe de Trabajo”, una vez obtenido el volante de entrega y devolución de “Zona Protegida”, procederá a la creación de la “Zona de Trabajo” mediante la colocación de la puestas a tierra y en cortocircuitos correspondientes y adecuadas y delimitando la zona para evitar confusiones con partes colindantes. 

• Instalación Preparada para trabajos: Todo trabajo sin tensión en una instalación de Alta Tensión requiere la previa petición de consignación o descargo de la misma, y solamente está preparada para trabajos cuando se hayan realizado las operaciones siguientes: 

1. Reconocimiento de ausencia de tensión. 
2. Puesta a tierra y en cortocircuito. 
3. Colocación de la señalización adecuada. 

Estas tres operaciones, junto con las de descargo, constituyen las Cinco Regias de Oro descritas en Prescripciones de seguridad para trabajos y maniobras en Centros de Transformación disponible en el siguiente link: http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/09/prescripciones-de-seguridad-para.html 

Ejemplo: Se va a trabajar en la Estación transformadora de la figura 7, representada en su alzado y planta, y cuyo esquema se acompaña. 

Supongamos que en el punto C de la misma hay una conexión floja. 

Las maniobras a realizar serán: 

a) De consignación o descargo. 

Abrir con corte visible todas las posibles fuentes de tensión. En esta instalación hay dos posibles fuentes de tensión: una en el propio centro y otra en la Estación transformadora con la que está conectada. 

1. Maniobras en la propia Estación transformadora: 
2. Abrir el 52-1, 89-1 y 89-2. 
3. Bloquear los aparatos de corte anteriormente abiertos. 
4. Maniobras en la otra Estación transformadora: 
5. Operaciones necesarias para cortar la otra fuente. 

b) Para trabajos: 

1. Comprobar ausencia de tensión en los puntos A y B. 
2. En dichos puntos, poner a tierra y en cortocircuito la instalación. 
3. Señalizar la zona de trabajo. 

Una vez finalizadas las maniobras anteriores se podrá realizar el trabajo.

Figura 6: Mantenimiento en un interruptor

Figura 7: Preparación para la realización de trabajos en una estación transformadora.

2.1.3.- Personal en el Descargo 

• Jefe de turno en DE o CMD: Es la persona que durante el turno asume la responsabilidad del servicio en el DE o CMD. 
• Interventor: Es el Agente de turno en el DE o CMD. 
• Jefe de Explotación: Persona responsable de la explotación de las instalaciones afectadas por los trabajos, ocurriendo que si éste delega todas o parte de sus funciones en otra persona, ésta pasa a considerarse como Jefe de Explotación. 

Toda la instalación tiene que estar bajo la responsabilidad de un Jefe de Explotación. 

• Jefe de Instalación: Es la persona responsable directa de la instalación en condiciones normales de explotación.

Figura 8: El “Jefe de Trabajo” una vez obtenido el descargo del “Agente de descargo”, procederá a la creación de a “Zona de trabajo”, colocando las puestas a tierra correspondientes y señalizando adecuadamente la misma.

Si el Jefe de Explotación o el Jefe de Instalación delegan todas o parte de sus funciones a otra persona, a ésta se la considerará como Jefe de Explotación o de Instalación. 

• Operador: Persona con destino a una Central, estación Receptora, estación Primaria, Reten de averías de Distribución (móviles), que además de tener a su cargo la vigilancia de las instalaciones, ejecuta o hace ejecutar las maniobras ordenadas por el DE o CMD, según éstas afecten a la Red de Transporte o de Distribución. 
• Agente de consignación o descargo: Es la persona encargada de comprobar que las operaciones son las precisas para poner la instalación en estado de “Zona Protegida”, asegurándose que la situación final de la instalación responde al esquema y condiciones de Seguridad previstas en la petición de descargo. 
• Jefe de Trabajo: Es la persona que, presente en un trabajo, lo dirige por designación o delegación de sus superiores y previa recepción de la zona protegida, siendo responsable del mismo, así como, de tomar las medidas de seguridad que sean precisas, en el propio lugar de trabajo, para garantizar su seguridad y la del personal a sus órdenes, tanto para riesgos eléctricos como de otro tipo. 

2.1.4.- Maniobras 

• Secuencia de maniobra: Orden previamente establecido en el que se suceden una serie de maniobras. 
• Cerrar o conectar (interruptor/seccionador): operación que se destina a establecer la continuidad en la parte del circuito correspondiente a dicho interruptor o seccionador. 
• Abrir o desconectar: operación inversa a la anterior que interrumpe el circuito correspondiente. 
• Cerrar una línea: conexión del interruptor correspondiente de dicha línea. 
• Abrir una línea: operación inversa a la anterior que consiste en abrir el interruptor de dicha línea. 
• Poner en servicio: maniobra de cierre de interruptor/es pertenecientes a una línea/transformador/batería de condensadores/etc. por medio de la cual queda energizada la instalación. 
• Dejar fuera de servicio: operación inversa a la anterior por medio de la cual queda desenergizada la instalación. 
• Poner a tierra: Operación de unir, mediante un elemento conductor, a una toma de tierra, un aparato o parte de una instalación eléctrica. 
• Poner en cortocircuito: Operación de unir entre sí todas las fases de una instalación, mediante un elemento conductor. 
• Verificación de la ausencia de tensión: Operación necesaria para comprobar que una instalación, o parte de ella, no tiene tensión. 
• Bloqueo o enclavamiento de un aparato: Es el conjunto de operaciones destinadas a impedir la maniobra de dicho aparato y mantenerlo en una posición determinada. 

Un dispositivo de enclavamiento subordina la posibilidad de funcionamiento de un aparato a la posición o al funcionamiento de uno o varios elementos del equipo. 

• Punto de alimentación: Punto por el que una línea o una red recibe energía eléctrica. 
• Punto de suministro de energía: Punto por el que se suministra energía eléctrica a una instalación de consumo. 
• Tensión en puntas: Se dice que un circuito tiene “tensión en puntas” cuando está alimentado éste desde otro lugar, dispone de servicio en dicho punto, pero sin demandar carga alguna aunque con posibilidades de hacerlo inmediatamente por accionamiento de un aparato de cierre. 
• Alimentación en puntas: Se dice que una instalación o un centro está alimentado en puntas cuando se alimenta por una sola vía consumiendo toda la energía que llega hasta ella. 
• Reponer el servicio: cerrar los aparatos de corte necesarios para volver a poner en servicio la línea/transformador/etc. que anteriormente se habían dejado fuera de servicio. 
• Retenido: aparato o posición que estando en servicio o fuera de él no puede ser maniobrado. Debe de quedar señalizado con la tarjeta de peligro. 
• Acoplar: maniobra, que por motivos de explotación, debe realizarse para conectar en paralelo dos generadores, un generador y una línea, dos transformadores, etc. 

Esta maniobra se puede realizar también en las líneas, aunque el acoplamiento de estas es directamente un acoplamiento de generadores o transformadores. 

La maniobra de acoplar entraña el cumplimiento de unas condiciones preliminares, algunas de las cuales pueden imposibilitar la realización de dicha maniobra. 

• Sincronizar un Circuito o Instalación: Es la puesta en paralelo de dos Sistemas Eléctricos que se encuentran aislados eléctricamente entre sí, y que operan desfasados en frecuencia y voltaje. Antes de ejecutar esta maniobra, debe verificarse que: 

1. Los voltajes sean iguales ó con una diferencia permitida. 
2. Las frecuencias sean iguales. 
3. La diferencia en ángulos de fase sea cero. 

Esta verificación debe efectuarse con los instrumentos apropiados (Sincronoscopios), posteriormente y bajo solicitud expresa del DE o CMD, puede procederse a efectuar la maniobra. 

• Enchufar o insertar: esta expresión se utiliza en las maniobras a realizar en interruptores de MT alojados en celdas y montados sobre un carro que permite establecer la conexión de los bornes del interruptor con el embarrado situado en el fondo de dicha celda, Esta operación hace la función de seccionador, es decir, producir el corte visible cuando el interruptor se encuentra en la posición extraído. 
• Desenchufar o extraer: Maniobra inversa a la anterior. Consiste en realizar las maniobras necesarias para sacar el carro del interruptor del interior de la celda con el fin de producir el corte visible. 
• Tensión de retorno: Se dice que en un circuito existe “tensión de retorno” cuando, estando aparentemente sin servicio, por tener abierta su alimentación habitual, aparece tensión por una alimentación accidental a través de otra vía, como puede ser la red de baja tensión (en caso de transformadores), o bien otro punto de la misma red de A. T. 
• Mecanismo de disparo: artificio que actúa mecánicamente sobre el enclavamiento de un aparato para provocar su disparo por medio de una energía acumulada. 
• Dispositivo de reenganche: Dispositivo que vuelve a poner en su posición de enganche a un mecanismo. 
• Sobrecarga: Potencia suministrada a carga superior a aquella para la que se ha previsto una instalación o un elemento determinado de uan instalación. 
• Perturbación: Modificación accidental de un circuito eléctrico de sus condiciones de funcionamiento. 
• Falta: Modificación accidental local de las características de un circuito eléctrico. Ejemplo: rotura de un conductor…etc. 

Existen diversos tipos de faltas como son: 

1. Transitorias, que desaparecen por si mismas 
2. Fugaces, cuya supresión no necesita intervención en el lugar donde se ha producido. 
3. Permanentes, cuya supresión necesita una intervención en el lugar en el que se ha producido. 
4. Intermitentes, que se produce en el mismo lugar a intervalos de tiempo reducidos y bajo el efecto de una misma causa. 
5. Cortocircuito: Conexión voluntaria o accidental de dos puntos en tensión de un circuito por una impedancia insignificante. 
6. Defecto de aislamiento: Disminución o desaparición accidental de la resistencia de aislamiento entre un conductor y tierra (o masa) o entre conductores.

TEXTO DISPONIBLE EN PDF EN LA SIGUIENTE URL:

http://www.mediafire.com/view/ikbaq3x40d4fxdo/Maniobras_1%C2%AA_parte.pdf

CONTINUA EN PARTE 2ª:

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Cuadro resumen de características y aplicaciones de los variadores electrónicos de velocidad

Principio de variación de velocidad		Potencia	Rango de variación	Rendimiento global	Dominio de aplicación
Motor asíncrono Frecuencia fija variador	Acción sobre tensión estatórica Frecuencia fija	Hasta algunas decenas  de kW	20 a 90% de Ns (1)	0,2 a 0,7	Servicio intermitente de elevación y manipulación de cargas - Para Cr = k N2 o Cr = k N3 pequeño margen de variación de velocidad: bombas, ventiladores. - Auxiliares: Arranque de motores
Motor asíncrono de rotor bobinado Frecuencia fija con recuperación de energía	Dispositivo rectificador-ondulador. Acción sobre el deslizamiento por variación de corriente rotórica. Recuperación de energía en el rotor Cascada hiposincrónica Suministro de energía en el rotor Cascada hipersincrónica	De varios 100 kW hasta varios 1000 kW	60 a 100% de Ns 100 a 140% de Ns	0,85 a 0,90	Para Cr = k N2 o Cr = k N3: bombas, ventiladores, compresores. - Extrusoras (grandes potencias). - Potencia ≤ 8 Ns / 1500 MW (Ns en r.p.m.)
Motor asíncrono o síncrono Cicloconvertidor Frecuencia variable Conversión directa	Acción sobre tensión y frecuencia estatóticas. Convertidor de frecuencia por puente de tiristores: 0 a 16 Hz máx. para red de 50 Hz. Generalmente por conmutación natural  por la red (motores síncronos y asíncronos) o por la carga (motores síncronos sobreexcitados). Cicloconvertidores	De varios 100 kW a varios 10000 kW		0,85 a 0,90	- Trituradoras, hornos de cemento - Trenes de rodillos de laminadoras - Para velocidades de rotación pequeñas
Motor asíncrono Frecuencia variable Conversión indirecta	Acción sobre tensión y frecuencia estatóticas. Dispositivo rectificador-ondulador autónomo: - Conmutador de tensión (2) - Ondulador PWM - Conmutador de corriente Rectificador-ondulador autónomo	De varios 10 kW a varios 100 kW	0 a 120% de Ns	0,85 a 0,90	- Bombas, ventiladores, compresores. - Mezcladoras - Extrusoras - Auxiliares de metalurgia, máquinas herramientas - Bancos de ensayos
Motor síncrono Autopilotado Frecuencia variable	Acción sobre tensión y frecuencia Dispositivo rectificador-ondulador autosíncrono Rectificador-ondulador autopilotado	De varios 100 kW a varios 10000 kW	De 0 a varias Ns	0,90 a 0,95	- Grandes potencias: compresores, ventiladores, extrusoras, mezcladoras - Grandes velocidades: Centrifugadoras (6000 r.p.m) - Arranque, acoplamiento de motores síncronos -Lanzadoras
(1)      Ns: Velocidad de sincronismo (r.p.m) (2)      Particularmente adaptado al control de motores

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Soluciones electrónicas para el control y mando de motores de corriente alterna

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Soluciones electrónicas para el control y mando de motores de corriente alterna

               Molino de grava con 2 motores asíncronos de 4 polos de 5 MW controlados por cicloconvertidor (ABB)

Antes de describir brevemente los principales procesos utilizados, parece útil dar una breve descripción de las ventajas que hacen que la variación electrónica de velocidad sea una solución atractiva para muchos procesos industriales, tanto técnica como económicamente.

■ Interés de la variación electrónica de velocidad

Las principales ventajas, a menudo relacionadas entre sí, son:

● Flexibilidad de ajuste y funcionamiento optimizado

• Gran facilidad de arranque con par motor programable. El arranque es independiente de las condiciones climáticas y sin tiempos de preparación.
• Flexibilidad de funcionamiento permitiendo adaptar el equipo que está siendo impulsado a las condiciones variables de utilización y, en algunos casos, para aumentar su rango de operación útil.
• Fácil adaptación a los procesos de automatización modernos y, por lo tanto, participación en la mejora de la productividad y la calidad del producto.
• Posibilidad de utilizar motores a velocidades superiores a las impuestas por la red.
• Elevadas cadencias de maniobra

● Economía de energía

• Capacidad para lograr un ahorro significativo de energía en comparación con las unidades de acoplamiento de tipo deslizante gracias a los rendimientos de conversión electromecánicos intrínsecamente más elevados. 
• Posibilidad de que el equipo funcione continuamente con mejores rendimientos a lo largo de todo el rango de velocidades alcanzables y no sólo en el punto de funcionamiento máximo.

● Disponibilidad y mantenibilidad

• Alta disponibilidad de los equipos, lo que resulta, por un lado una alta fiabilidad, y por otra parte la corta duración de las reparaciones y el mantenimiento necesarios.
• Reparaciones facilitadas por la modularidad de subconjuntos electrónicos y la capacidad de poner en práctica procedimientos para la detección automática de fallos y de sustitución rápida.

● Reducción de averías en los materiales

• Reducción de las tensiones aplicadas a la mecánica (par transitorio en el arranque, cortes, golpes de ariete, etc...) para el control permanente de la aceleración.
• Supresión de las puntas de corriente en la red al arrancar los motores.
• Posibilidad de no utilizar anillos ni contactos deslizantes, lo que facilita el uso en atmósferas explosivas o agresivas.

● Precauciones de utilización

Los dispositivos electrónicos utilizados para la variación de velocidad de los motores generan corrientes armónicas que pueden perturbar la instalación eléctrica y al distribuidor de energía.

En otros artículos de este blog se han descrito detalladamente estos problemas, recordamos seguidamente los principales:

• Se requiere aumentar un cierto margen de seguridad el calentamiento de la instalación debido a los armónicos: un margen del 15% en la corriente es generalmente suficiente,
• se recomienda ventilación forzada en los motores (sobretodo cuando funcionan a bajas velocidades),
• Se requiere reforzar el aislamiento entre espiras de los motores, a causa de los importantes gradientes de tensión generados por la conmutación de los tiristores (que pueden alcanzar el orden de magnitud de los ensayos de choque).

■ Clasificación del tipo de variador según la técnica utilizada

Físicamente el control de la transferencia de energía en un motor de corriente alterna se concreta en dos variables mecánicas:

El par

La velocidad

En la práctica sólo una de estas variables es controlada. Cuando se efectúa un control del par, la velocidad queda determinada por la carga. Si se efectúa un control de velocidad, es el par el que queda determinado por la carga.

● Clasificación:

(1) Regulador por ángulo de fase

Modifican la tensión de alimentación del estátor, con ello el par y con él la curva i - w, lo que da lugar a una nueva velocidad de trabajo.

(2) Cascada hiposíncrona

Modifica la resistencia rotórica del motor, lo cual modifica la curva I – w, dando lugar a una nueva velocidad de trabajo.

(3) Convertidores directos

Realizan la conversión de la frecuencia de entrada a la de salida de manera directa, sin intervención de ningún sistema de conversión intermedia.

(4) Convertidores indirectos

Realizan la conversión de la frecuencia de entrada a la de salida de manera indirecta, utilizando un sistema intermedio de conversión.

■ Motor asíncrono de jaula alimentado por variador (Fig. 1)

El variador estático es un dispositivo que permite arrancar un motor asíncrono con un aumento gradual de la tensión. Así, se limitan las puntas de corriente en la red y se controla la velocidad del motor. 

Este método permite variar la tensión del estator, por tanto la velocidad, mediante la variación del ángulo de retardo de disparo de los tiristores montados en anti-paralelo y colocados en cada una de las fases de alimentación del motor.

Este tipo de regulación es adecuada para unidades con bajo par resistente en las bajas velocidades y para aquellos de par constante cualquiera que sea la velocidad. Por otro lado, la disminución de la velocidad se traduce en un aumento de las pérdidas por deslizamiento, lo que reduce el campo de variación de velocidad y restringe la aplicación de los motores de jaula de baja potencia o para servicios intermitentes.

Figura 1: Motor asíncrono de jaula alimentado por variador 

■ Motor asíncrono de rotor bobinado (o anillos) con cascada hiposincrónica (figura 2) 

Con un motor de rotor bobinado, existe la posibilidad de variar el deslizamiento modificando la resistencia del rotor. Si se utiliza un reóstato para ello, se convierte la energía activa en pérdidas y se baja inaceptablemente el rendimiento. Para que el proceso sea interesante, es necesario utilizar un circuito que permita la recuperación de esta energía y la reinyecte en la red. La corriente del rotor es rectificada por un puente de diodos y, después de filtrada, se reenvía a la red por medio de un inversor y un transformador que adapta la tensión. 

La regulación del deslizamiento se realiza ajustando el retardo del disparo de los tiristores.. El rendimiento obtenido es del orden de 0,9 a 0,95. 

En teoría es posible ajustar la velocidad más allá de su valor máximo hasta cerca de la parada. De hecho, no es ventajoso proporcionar tal rango de variación. Por un lado, es raro que tengamos necesidad de tan gran variación, por otro lado, se demuestra que la potencia de dimensionamiento de la cascada es proporcional al deslizamiento. Desde el punto de vista de los costos, se debe dimensionar solamente para el margen de deslizamiento necesario, lo que implica el uso de un reóstato para el arranque. 

El convertidor indirecto así constituido puede a menudo ser ventajosamente sustituido por un cicloconvertidor.

M : motor 

P : potencia absorbida 

PR : potencia reinyectada a la red 

Tr : transformador de adaptación 

a : ángulo de retardo del disparo de tiristores 

Figura 2: Esquema de una cascada hiposincrónica 

Mediante la sustitución del puente de diodos por un puente de tiristores y la inyección, a la red, de la energía del rotor, se adquiere los medios para superar la velocidad de sincronismo, realizando de este modo una cascada hipersincrónica (y hiposincrónica). 

■ Motor asíncrono de jaula alimentado por rectificador-ondulador autónomo 

Cuando el motor es asíncrono de jaula, se puede utilizar un convertidor del tipo rectificador-ondulador. Para las pequeñas y medianas potencia (< 400 kW), las conmutaciones son realizadas por transistores IGBT. Permiten una frecuencia de conmutación mayor que la de los tiristores y de ese modo se consiguen velocidades elevadas. Para altas potencias, se utilizan solo los tiristores. La conmutación de los tiristores debe ser asegurada por circuitos auxiliares constituidos por tiristores y condensadores (conmutación forzada). Este tipo de variadores es a menudo llamados "conmutadores". 

Son posibles diferentes tipos de alimentación: 

• rectificador-conmutador de tensión 
• rectificador-ondulador con modulación por ancho de impulsos o PWM (del inglés pulse-width modulation) 
• rectificador-conmutador de corriente 

● Rectificador-conmutador de tensión (figura 3) 

Comprende un rectificador controlado que permite alimentar con tensión variable un ondulador trifásico. La frecuencia de salida deseada se obtiene actuando sobre el ángulo de disparo de los tiristores del ondulador. 

Este tipo de convertidor de frecuencia es el más simple, pero requiere una inductancia y un condensador de filtrado. El frenado para la recuperación de energía es posible sólo si el rectificador de tiristores de cabecera es en sí reversible. La reversibilidad de velocidad se obtiene invirtiendo el orden de las fases en el control de los tiristores del convertidor. 

Este tipo de alimentación es adecuada para motores con alta reactancia. 

Figura 3: Motor asíncrono de jaula con rectificador-conmutador de tensión

● Rectificador-ondulador con modulación por ancho de impulsos (PWM) (figura 4)

El rectificador utilizado en este caso es de tensión constante (diodos en vez de tiristores).

El ondulador proporciona a la vez una tensión y una frecuencia variable. Al variar el ancho de los impulsos de salida y su frecuencia, se obtiene una tensión de salida y una corriente de carga cercana a una sinusoide.

Esta solución permite realizar variaciones de velocidad con gran rendimiento. Permite también un alto rango en la variación de velocidad. Por contra, para altas velocidades, la frecuencia de conmutación es elevada. Por tanto, se deben utilizar transistores, lo que limita la potencia máxima (P ≤ 400 kW).

Figura 4: Motor asíncrono de jaula con rectificador-ondulador (PWM)

● Rectificador-conmutador de corriente

El esquema de la Figura 5 muestra un ejemplo del rectificador-conmutador de corriente.

Esta solución comprende un convertidor de entrada (rectificador controlado por tiristores) con conmutación natural (la conmutación de los tiristores se efectúa sin circuito auxiliar) que asociado a una inductancia de alisado, se comporta como una fuente de corriente continua. 

Un convertidor de salida (conmutador) conmuta la corriente en las fases de la máquina por medio de condensadores. Esta conmutación, realizada con frecuencia variable, permite obtener un funcionamiento muy flexible del motor en un amplio rango de velocidades.

Sin elementos adicionales, el equipo funciona en los cuatro cuadrantes del plano par-velocidad. Funcionando como generador, el convertidor en el lado de red funciona como ondulador y el conmutador del lado de la máquina como rectificador.

Figura 5: Motor asíncrono de jaula con rectificador-conmutador de corriente

■ Motor síncrono alimentado por rectificador-ondulador autopilotado

Esta solución utiliza un primer convertidor alimentado por la red y un segundo pilotado por la máquina. La conexión entre los dos convertidores se efectúa a través de una inductancia de desacople.

En el funcionamiento como motor, el convertidor del lado de la red funciona como rectificador y regula la corriente en la etapa intermedia en corriente continua; el segundo convertidor funciona en modo ondulador no autónomo y conmuta la corriente a frecuencia variable en las fases de la máquina.

La conmutación de una fase del estator a la siguiente es autopilotada, ya sea mediante la medida de la posición del rotor, mediante la medida de las tensiones estatóricas o a través de un captador “disco de ranuras”, la energía reactiva necesaria para esta conmutación es suministrada por la excitación de la máquina. Este modo de ajuste elimina cualquier riesgo de corte, la frecuencia permanece siempre en perfecto sincronismo con la velocidad.

En el arranque y a baja velocidad, la tensión de la máquina es insuficiente para efectuar la conmutación del ondulador. En este caso, es el convertidor de entrada que, utilizado transitoriamente como ondulador, asegura esta función.

Esta solución se utiliza típicamente para potencias unitarias superiores a algunos centenares de kilovatios hasta varias decenas de megavatios.

Figura 6: Motor síncrono con rectificador-ondulador autopilotado

■ Motor asíncrono o síncrono alimentado por cicloconvertidor 

Este es el único sistema generador de frecuencia variable capaz de realizar una conversión de frecuencia directa a partir de la red alternativa.

El suministro del motor de corriente alterna requiere un convertidor por fase como se muestra en Figura 7 que muestra un ejemplo de un posible esquema. Los tres convertidores son controlados por tres referencias desfasadas entre sí 120 °. Cuando uno de los puentes es conductor, es rectificador si la corriente y la tensión son del mismo signo y ondulador si la corriente y el voltaje tienen signos opuestos. 

Prácticamente, el cicloconvertidor limita la frecuencia de salida entre 0 y f / 3 (donde f es la frecuencia de la red). Este tipo de solución es particularmente adecuada para accionamientos con motores de baja velocidad.

Figura 7: Motor de corriente alterna con cicloconvertidor

■ Campos de aplicación de los variadores electrónicos de velocidad

En la tabla 1 se indica la correspondencia entre el tipo de variador, el tipo de motor y la carga arrastrada.

Tabla 1: Campos de aplicación de los variadores electrónicos 

para motores de corriente alterna 

REFERENCIAS: 

J. Y. Blanc: Control, mando y protección de motores AT.- Cuaderno técnico 165, Schneider Electric. 

Christophe PRÉVÉ, Robert JEANNOT: Guía de concepción de redes eléctricas industriales.

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Cuadro resumen de los efectos de los armónicos en la aparamenta eléctrica

ELEMENTO	PROBLEMA	EFECTO
Conductor	● Aumento de corriente ● Aumento de pérdidas térmicas (efecto       Joule)	● Calentamiento cables (deterioro) ● Disparo de protecciones
Conductor de neutro	● Circulación de armónicos múltiplos de 3 ● Retorno por el conductor neutro	● Sobreintensidad por el neutro ● Calentamiento del neutro ● Degradación prematura ● Disparo de protecciones
Condensador	● Resonancia paralelo con el sistema ● Amplificación de los armónicos	● Calentamiento condensadores ● Envejecimiento prematuro de condensadores ● Destrucción de  condensadores
Máquinas Eléctricas	● Circulación de corrientes armónicas por los devanados y tensiones armónicas en bornes	● Sobrecalentamiento y pérdida de …aislamiento (efecto Joule) ● Aumento de pérdidas magnéticas …(por Histéresis y Foucault) ● Desclasificación (Transformadores) ● Vibraciones en el eje, desgaste mecánico en rodamientos y excentricidades (motores)
Equipos de medida y Control	● Medidas no válidas ● Errores en procesos de control	● Valores de magnitudes incorrectas ● Interferencias con sistemas de comunicación y control ● Errores en los instantes de disparo de tiristores

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Los armónicos y los Transformadores:

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Efectos de los armónicos en motores:

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Dimensionado del neutro en instalaciones de BT:

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