curso rosshill

CurCurCurCurso de SCR Rossso de SCR Rossso de SCR Rossso de SCR Ross----HillHillHillHill

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Datos del Curso • Código: 2/SCR

Titulo del Curso • SCR Ross-Hill

Objetivo del Curso • Capacitar en el uso y

funcionamiento de SCR ROSS HILL

Objetivo Especifico • Introducción a la Electrónica

• Introducción al Magnetismo

• Introducción a los Transformadores

• Circuitos Rectificadores con Diodos

• Motores y Generadores

• Unidad de Generación (AC Module)

• Unidad de Continua (DC Module)

• Circuito de Límite de Potencia

• Unidad de Suministro de Campo

• Consola de Perforación

• Frenado Dinámico

Alcance • Supervisores y electricistas

Duración del Curso • 40 Horas

Método de Dictado • Clases Teóricas y Prácticas

Contenidos del Curso • Objetivos

• Introducción a la Electrónica

• Introducción al Magnetismo

• Introducción a los Transformadores

• Circuitos Rectificadores con Diodos

• Motores y Generadores

• Unidad de Generación (AC Module)

• Unidad de Continua (DC Module)

• Circuito de Límite de Potencia

• Unidad de Suministro de Campo

• Consola de Perforación

• Frenado Dinámico

• Repaso General del Curso

• Evaluación Final del Curso

• Auto evaluación del Curso

• Entrega de Certificados


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CONTENIDO BREVECONTENIDO BREVECONTENIDO BREVECONTENIDO BREVE

1. Introducción a la Electrónica 5

2. Introducción al Magnetismo 34

3. Introducción a los Transformadores 37

4. Circuitos Rectificadores con Diodos 43

5. Motores y Generadores 58

6. Unidad de Generación (AC Module) 68

7. Unidad de Continua (DC Module) 78

8. Circuito de Límite de Potencia 87

9. Unidad de Suministro de Campo (Field Suply Unit) 91

10. Consola de Perforación 94

11. Frenado Dinámico 95


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CONTENIDOCONTENIDOCONTENIDOCONTENIDO

1. Introducción a la Electrónica 5

1.1. Conceptos de Resistencias 5

1.1.1. Definición de Resistencia 5

1.1.2. Variación de la resistencia con la Temperatura 5

1.1.3. Ley de Ohm. Relación entre E, I, R 6

1.1.4. Potencia en Corriente Continua 7

1.1.5. Conexión Serie de Resistencias 8

1.1.6. Conexión Paralelo de Resistencias 9

1.1.7. Divisor de Tensión 10

1.1.8. Tolerancia, Tipos de Resistencias Fijas y Código de Colores 11

1.2. Conceptos de Capacitores Fijos 14

1.2.1. Definición de Capacitores 14

1.2.2. Carga y Descarga de un Capacitor 15

1.2.3. Conexión Serie de Capacitores 16

1.2.4. Conexión Paralelo de Capacitores 17

1.2.5. Tipos de Capacitores 18

1.3. Conceptos de Diodos 19

1.3.1. El Diodo Ideal y el Diodo Real 19

1.3.2. Diodos Zener 22

1.4. Conceptos de Transistores Bipolares 24

1.4.1. Definición y Símbolos 24

1.4.2. Relación de Corrientes 24

1.4.3. Ganancia de Corriente de un Transistor Bipolar 25

1.4.4. Curvas de Entrada-Salida de un Transistor Bipolar 25

1.5. Conceptos de Tiristores (SCR) 27

1.5.1. Definición y Símbolos 27

1.5.2. Formas de Disparo de un SCR 28

1.5.3. Característica de Salida del SCR 29


4

1.6. Conceptos de Amplificadores Operacionales 30

1.6.1. Modelo y Símbolo del Amplificador Operacional 30

1.6.2. Amplificador Operacional Inversor 31

1.6.3. Amplificador Operacional No Inversor 31

1.6.4. Amplificador Operacional Sumador 32

1.6.5. Amplificador Operacional Integrador 33

2. Introducción al Magnetismo 34

2.1. Voltaje Inducido por un Campo Magnético Variable 34

2.2.Fuerza Inducida en un Conductor 34

2.3.Voltaje Inducido en un Conductor dentro de un Campo Magnético 35

3. Introducción a los Transformadores 37

3.1. El Transformador Ideal 37

3.2. El Autotransformador 38

3.3. Transformadores Trifásicos 39

4. Circuitos Rectificadores con Diodos 43

4.1. Rectificador Monofásico de Media Onda 43

4.2. Rectificador Monofásico de Onda Completa 47

4.3. Rectificador Trifásico de Media Onda 49

4.4. Rectificador Trifásico de Onda Completa 53

4.5. Rectificador Trifásico de Onda Completa Controlado 55

5. Motores y Generadores 58

5.1. Generadores de Corriente Alterna 58

5.3. Motor de Corriente Continua Shunt 59

5.4. Motor de Corriente Continua Serie 62

6. Unidad de Generación (AC Module) 68

6.1. Cargador de Baterías 69

6.2. Panel de Sincronismo 69

6.3. Regulador de Velocidad 70

6.4. Regulador de Tensión 73

6.5. Circuitos de Protección 76

7. Unidad de Continua 78

7.1. Puente Rectificador Trifásico 78

7.2. Circuito Supresor de Picos 79

7.3. Lógica de Control de los Contactores 80

7.4. Circuito Sprocket Slip 81

7.5. Módulo de Control de Continua 84


5

7.5.1. Regulador de Continua 84

7.5.2. Circuitos de Disparo de los SCR 86

8. Circuito de Límite de Potencia 87

9. Unidad de Suministro de Campo 91

10. Consola de Perforación 94

11. Freno Dinámico 95

11.1. Motores Serie 95

11.2. Motores Shunt 96


6

CAPÍTULOCAPÍTULOCAPÍTULOCAPÍTULO 1 1 1 1

INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICAINTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICAINTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICAINTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA

1.1. Conceptos de Resistencias 1.1.1. Definición de Resistencia Es la propiedad que tienen los cuerpos de oponerse al paso de la corriente

eléctrica. Constituye una condición propia de cada material. Se simboliza con la

letra “R” y su unidad de medida es el “ohm”, simbolizado con la letra griega

“omega” (Ω).

Los múltiplos más usuales de ohm son:

Kilohm (KΩ) = 1.103 Ω

Megaohm (MΩ) = 1.106 Ω

La resistencia es mínima en los materiales llamados conductores, que se

caracterizan por la relativa facilidad con que permiten el paso de la corriente

eléctrica; es relativamente grande en los llamados semiconductores y es muy

grande en los materiales llamados aislantes.

Los conductores están constituidos principalmente por los metales, entre los

cuales, el cobre y el aluminio son los mas utilizados para la fabricación de

cables conductores.

Los semiconductores son cuerpos cuya resistencia es mayor que la de los

conductores, pero mucho menor que la de los aislantes. El silicio es el más

utilizado en la actualidad.

Los aislantes poseen una resistencia sumamente alta y se utilizan para impedir el

paso de la corriente eléctrica. Entre los más conocidos se encuentran la

Porcelana, la Mica, la Baquelita, el Cuarzo, casi todos los Plásticos, Papeles y

Telas con tratamientos especiales.

1.1.2. Variación de la Resistencia con la Temperatura La resistencia de los cuerpos no solo depende de la clase de material que los

compone sino también de la temperatura a la cual se encuentran. Los valores de

la resistencia se establecen normalmente a la temperatura ambiente (20ºC). El

aumento de temperatura provoca el aumento de resistencia de los conductores.


7

No sucede lo mismo con el carbón, los semiconductores y los aislantes, quienes

la disminuyen.

El numero que establece cuanto varia la resistencia de 1 ohm cuando la

Temperatura varia 1ºC, se llama “Coeficiente de Temperatura” y se designa con la letra griega α (alfa).

Al variar la temperatura en tºC, la resistencia se modifica en R.α.t (Ω) o sea que,

después de la variación térmica se convierte en:

Rf = R0 + R0.α.t = R0 . (1+ α.t) ohm

O lo que es lo mismo:

Esta formula solo es valida hasta los 100ºC, en donde la variación de la

resistencia con la temperatura deja de ser lineal.

1.1.3. Ley de Ohm. Relación entre E, I, R.

“La intensidad de la corriente es directamente proLa intensidad de la corriente es directamente proLa intensidad de la corriente es directamente proLa intensidad de la corriente es directamente propopopoporcional rcional rcional rcional a la a la a la a la tensióntensióntensióntensión o f.e.m. e inversamente proporcional a la o f.e.m. e inversamente proporcional a la o f.e.m. e inversamente proporcional a la o f.e.m. e inversamente proporcional a la resistenciaresistenciaresistenciaresistencia del circuidel circuidel circuidel circuitotototo”.

Expresiones matemáticas de la ley de ohm:

( )voltsR IE ⋅= ( )ohms I

ER = ( )amperes

R

EI =

)...( 1311 )...( 2311 )...( 3311

Rf = R0 . (1+ α.t) Ω

E

I R

E

I R

E

I R


8

1.1.4. Potencia en Corriente Continua La potencia es la velocidad con la que se realiza el trabajo y se mide por la

cantidad de energía que se convierte de una forma a otra forma en la unidad de

tiempo. Se denomina con la letra P y se mide en Watts.

( )watts IEP ⋅= (1.1.4.1)

Donde:

E = Tensión en Volts

I = Corriente en Amperes

P = Potencia en Watts

De la ecuación (1.1.3.1) sabemos que:

RIE ⋅=

Reemplazando en la ecuación (1.1.4.1) nos queda:

IIRP ⋅⋅=


IRP 2⋅= (1.1.4.2)


R

EI =


R

EEP ⋅=


R

EP

2

= (1.1.4.3)


9

1.1.5. Conexión Serie de Resistencias

R1

E

1

I

R23

R35

6 En la conexión en serie, la corriente que circula por el circuito es igual a la

corriente que circula por cada uno de los elementos del circuito.

La primera ley de Kirchhoff establece que la sumatoria de las caídas de tensión

en una “malla cerrada” es igual a la sumatoria de las fuentes de tensión de

esa malla.

( )∑ ∑ ⋅= RIE

Por lo tanto debe verificarse que:

( ) ( ) ( )321 RIRIRIE ⋅+⋅+⋅=

Como I es común a todas las resistencias:

( )

2R2R1RE ++⋅= I

eRIE ⋅=

Es decir que en un circuito conectado en serie, la resistencia equivalente del

circuito es igual a la sumatoria de todas las resistencias que componen el mismo.

n21e R...RRR +++= (1.1.5.1)

Y el circuito se puede representar de la siguiente manera:

Re

E

1

2

I


10

1.1.6. Conexión Paralelo de Resistencias

R1

E

I1

R2

R3

1 2

I2

I1

I

En la conexión en paralelo, a la corriente suministrada por la fuente generadora

G se le presentan varios caminos, constituidos por cada una de las ramas sobre

las cuales están conectadas las resistencias R1, R2 y R3. Cada uno de estos

caminos constituye una rama del circuito y la corriente que circula por cada una

de estas es una porción de la corriente total del circuito. De esta manera en un

circuito conectado en paralelo, circularan tantas corrientes como ramas posea, y

todos sus componentes están sometidos a la misma tensión, a diferencia de un

circuito serie.

Al igual que en la conexión en serie todas las resistencias se pueden reemplazar

por una resistencia equivalente.

Para calcularla hacemos uso de la segunda ley de Kirchhoff que establece que en

cualquier nodo la suma de las corrientes que concurren es igual a la suma de las

corrientes que salen de este.

∑ = 0I

Por lo que debe verificarse que:

321 IIII ++= (1.1.5.2)


R

EI =


321 R

E

R

E

R

E

R

E

e

++=


11

Sacando factor común E en el segundo miembro nos queda:

++⋅=

321

111

RRRE

R

E

e

Simplificando E en ambos miembros:

++=

321

1111

RRRRe

Esto significa que a medida que se conectan resistencias en paralelo, disminuye

la resistencia total del circuito.

1.1.7. Divisor de Tensión El divisor de tensión consiste en una resistencia variable conectada en paralelo

sobre los bornes de salida de una fuente. Conectando la carga entre uno de los

entremos de la resistencia variable (común al borne de la fuente) y el punto

medio C (cursor), se puede obtener cualquier valor de tensión, entre 0 Volts y el

valor máximo de la fuente, regulando la posición del cursor.

50%

E

1

3

2

R

R2

R1

E1

I1

La resistencia R puede interpretarse como dos resistencias R1 y R2 en serie

21 RRR +=

Según la ecuación (1.1.3.3) sabemos que:

( )21 RR

E

R

EI

+== (1.1.7.1)

Según la ecuación (1.1.3.1) sabemos que:


12

21 RIE ⋅= (1.1.7.2)

Reemplazando (1.1.7.1) en (1.1.7.2) nos queda

( )21

21 RR

REE

+⋅= (1.1.7.3)

1.1.8. Tolerancia, Tipos de Resistencias Fijas y Código de Colores Tolerancia de una Resistencia: La tolerancia de una resistencia es un porcentaje que indica cuanto mayor o

menor puede ser el valor real de la resistencia con respecto al valor nominal. Los

valores típicos de tolerancia son 20, 10, 5 y 1 por ciento.

Ejemplo:

• El valor real de una resistencia de 100 Ω ±20% va a estar comprendido

entre 80 y 120 Ω.


entre 90 y 110 Ω.


entre 95 y 105 Ω.


entre 99 y 101 Ω.

Tipos de Resistencias Fijas:

• Resistencias de Película de Carbón: están constituidas por un tubito cerámico sobre el cual se deposita una fina capa de carbono puro como

material resistente.

El depósito de la película de carbono se logra por la descomposición de un

hidrocarburo (Bencina), que deposita el carbón en forma cristalina, a una

temperatura entre 800 y 1000ºC en un horno. La capa que se obtiene es

muy delgada, de color gris metálico y muy dura. Luego de logrado el

deposito de la película en el tubito cerámico, se espirala la superficie de

este para lograr el valor deseado, se les coloca los capuchones de los

terminales y finalmente se les coloca un barniz o resina para protegerlas

de la humedad y el desgaste mecánico.


13

Fig. (1.1.8.1)

• Resistencias de Película Metálica: Estas resistencias se obtienen

depositando sobre una varilla de vidrio una película de cloruro de oro o

platino, luego a esta capa metálica se le hace el espiralado para darle su

valor final, se le colocan los capuchones de los terminales y se le coloca el

barniz o la resina aislante.

Este tipo de resistencias permite temperaturas de operación altas y ofrece

buenas características de ruido, con coeficientes de temperatura mucho

más bajos que las resistencias de película de carbón.

Fig. (1.1.8.2)

• Resistencias de Alambre: Son resistencias de alta estabilidad que pueden disipar grandes potencias, entre 5 y 300 Watts.

Esta resistencia esta constituida por dos elementos, un tubo de porcelana o

cerámica sobre el cual se arrolla el alambre o resistor propiamente dicho. El

diámetro del alambre depende de la resistencia que se quiera, como así

también de la potencia a disipar.


14

Fig. (1.1.8.3)

Código de Colores de Resistencias:

Las resistencias llevan grabadas sobre sus cuerpos unas bandas de color que nos

permiten identificar el valor ohmnico que poseen. Hay resistencias de 4, 5 y seis

anillos. Para saber el valor tenemos que usar el método siguiente: el primer color

indica las decenas, el segundo las unidades. Con estos dos valores formamos un

número que tendremos que multiplicar por el valor que indique el color de la

tercer banda y el resultado de esa multiplicación es el valor de la resistencia. La

cuarta banda indica la tolerancia de la resistencia. Este método es para

resistencias de cuatro bandas. Para resistencias de 5 bandas procedemos de la

misma manera, con la diferencia que el numero lo formamos con las tres

primeras bandas y lo multiplicamos por la cuarta banda, siendo la quinta banda

la tolerancia de la resistencia.

En la figura 1.1.8.4 vemos dos ejemplos de códigos de colores de cuatro y cinco

bandas.

Fig. (1.1.8.4)


15

1.2. Conceptos de Capacitores Fijos 1.2.1. Definición de Capacitores El capacitor es un dispositivo que tiene la capacidad de almacenar energía en

forma de campo eléctrico. Esta formado por dos armaduras metálicas paralelas,

separadas por un material dieléctrico.

Cuando se aplica tensión entre sus caras, el capacitor después de un cierto

tiempo se carga, dependiendo dicha carga del valor de tensión y del tiempo que

duro.

La capacidad de un capacitor se define matemáticamente como la relación de la

carga adquirida, a la tensión aplicada y su formula esta dada por:

E

QC = (1.2.1.1)

Donde:

C: Capacidad en faradios

E: Tensión aplicada en voltios

Q: Carga en amperes por segundo

El capacitor tiene una serie de características tales como:

Capacidad: Se mide en Faradios, pero como esta unidad es tan grande se

utilizan los submúltiplos de pFynFF ,µ para indicar su valor.

Tensión de Trabajo: Es la máxima tensión con la que puede trabajar un

capacitor y depende del tipo y grosor del dieléctrico con el que esta fabricado.

Tolerancia: Al igual que en las resistencias, indica el error que puede haber entre el valor real de capacidad y el valor indicado en su cuerpo.

Polaridad: Poseen un Terminal positivo y un Terminal negativo, por lo

que se debe prestar atención a la hora de conectarlos para no destruirlos.

1.2.2. Carga y Descarga de un Capacitor Para analizar el comportamiento de un capacitor en el momento de su carga y en

el momento de su descarga analicemos el circuito de la figura 1.2.3.1.

Cuando la llave S se cierra sobre la posición 1, el capacitor comienza a cargarse

con una constante de tiempo RC. En el instante inicial suponemos que el

capacitor esta descargado, o sea que es un corto circuito, por lo que al momento

de cerrar la llave, la corriente será máxima. A medida que pasa el tiempo el

capacitor comienza a cargarse, el potencial en los bornes de este comienza a


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aumentar y la corriente comienza a disminuir hasta hacerse cero. En el momento

que la corriente se hace cero el capacitor queda cargado con su máxima tensión.

Si ahora pasamos la llave a la posición 2, anulando la fuente E, el capacitor

comienza a descargarse a través de la resistencia, con la misma constante de

tiempo RC con la que se cargo.

R

C

4

5

E

6

Vc

7

Ic

Id

1 2

S

Fig. (1.2.3.1)

Gráficamente las curvas de corriente y tensión de un capacitor durante su carga

y su descarga se pueden expresar de la siguiente manera:

Fig. (1.2.3.2)

t

t

A

B

Corriente

A: Carga

B: Descarga

A B

Vc


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1.2.3. Conexión Serie de Capacitores

C1

E1

C2

E2E

1

C3

E3

2

3

4

Fig. (1.2.4.1) Analizando el circuito de la figura (1.2.4.1) vemos tres capacitores conectados

en serie, de capacidades C1, C2, y C3, y cada uno de ellos adquiere una tensión

E1, E2 y E3, siendo E la tensión total aplicada al circuito.

En el momento de conectar la fuente al circuito, se mueve una carga Q a través

de este y cada capacitor por estar conectados en serie adquiere una carga Q.

Por lo tanto podemos plantear que:

332211 CECECEQ ⋅+⋅+⋅= (1.2.4.1)

Si Ce es la capacidad equivalente del circuito se debe cumplir que:

eC

QE = (1.2.4.2)

Por ley de Kirchhoff sabemos que:

321 EEEE ++= (1.2.4.3)

Despejando E de la ecuación (1.2.4.1) y reemplazando en (1.2.4.3) nos queda:

++⋅=++=

321321 C

1

C

1

C

1Q

C

Q

C

Q

C

QE (1.2.4.4)



18

eC

1QE ⋅=

Por lo tanto:

321e C

1

C

1

C

1

C

1 ++=

1.2.4. Conexión Paralelo de Capacitores

C1

Q1

C2

Q2E

1

2

Fig. (1.2.5.1) Analizando el circuito de la figura (1.2.5.1) podemos ver la conexión en paralelo

de dos capacitores C1 y C2 con respectivas cargas Q1 y Q2.

Lo que debemos buscar es reemplazar por un solo condensador de capacidad Ce

al paralelo de C1 y C2 de tal manera que la carga que produzca Ce sea la misma

que producen C1+C2, o sea Q1+Q2.


E

QC =

Por lo tanto podemos plantear que:

ECQQ e ⋅=+ 21

Reemplazando a Q1 y Q2 nos queda:

ECCECE e21 ⋅=⋅+⋅

Por lo tanto podemos notar que la capacidad equivalente resultante de la

conexión de dos capacitores en paralelo, es la suma de sus respectivas

capacidades.

21 CC +=eC (1.2.5.1)


19

1.2.5. Tipos de Capacitores

Capacitores Electrolíticos: consisten en dos láminas de aluminio, soldadas una

a cada Terminal, enrolladas entre dos capas de papel impregnadas en electrolito.

Siempre tienen polaridad y su capacidad es mayor a 1µF.

Capacitores de Poliéster Metalizado: consisten en dos láminas de poli

carbonato a las cuales se les deposita una fina capa de metal en una de sus

superficies. A una lamina se le deja una tira en uno de sus lados sin metalizar y a

la otra la misma tira pero en el lado opuesto. Estas dos láminas se ponen una

sobre la otra y se arrollan juntas. Una vez enrolladas se sueldan los extremos y

se le colocan los terminales.

Suelen ser de capacidades inferiores a 1µF y tensiones superiores a 63V.


20

Capacitores Cerámicos: El dieléctrico utilizado por estos condensadores es la cerámica. Estos materiales de cerámica son muy inestables por lo que en base al

material se pueden diferenciar en dos grupos:

Grupo1: caracterizado por una alta estabilidad y con un coeficiente de temperatura bien definido y muy estable.

Grupo2: su coeficiente de temperatura no esta prácticamente definido y

su valor de capacidad varía considerablemente con la temperatura, la tensión y

el tiempo de funcionamiento.

Sus valores de capacidad están comprendidos entre 0.5 pF y 47 nF

1.3. Conceptos de Diodos

1.3.1. El Diodo Ideal y El Diodo Real

Antes de comenzar el estudio de las características reales del diodo analicemos

un diodo ideal para proporcionar una base comparativa.

El Diodo Ideal es un dispositivo de dos terminales que tiene el símbolo y las

características que se muestran en las figuras (1.3.1.1) y (1.3.1.2).

Vd

1 2

Id

+ -

Fig. (1.3.1.1)


21

Fig. (1.3.1.2)

En forma ideal, un diodo conducirá corriente en la dirección definida por la

flecha y actuara como un circuito abierto para cualquier intento de conducir

corriente en la dirección opuesta.

Si analizamos la figura (1.3.1.2), podemos notar con claridad este concepto.

Cuando el diodo ideal esta polarizado en directa, no hay caída de tensión en sus

bornes y circula toda la corriente a través de él (corto circuito), y cuando esta

polarizado en inversa por mas que haya tensión aplicada a sus bornes, este no

deja circular corriente a través de el (circuito abierto).

Para ir acercándonos a lo que es un modelo sencillo de un diodo real, vamos a

hacer una primera aproximación en la que el diodo ya no se enciende con

tensión cero, sino que tiene que tener una cierta tensión a bornes para que entre

en estado de conducción. Esta tensión va a depender del tipo de material que se

utilice para la construcción del diodo. Los materiales mas utilizados son el

Silicio y el Germanio, con una tensión de 0.7 y 0.3 voltios respectivamente.

Por lo tanto el nuevo modelo de diodo queda de la siguiente manera:

Vd

2

Id

AVf

0.7 V

31 K

Id

Vd

0.7 V


22

Es decir que cuando la tensión aplicada a bornes del diodo alcance 0.7 voltios,

este entra en estado de conducción y la tensión en sus bornes será de 0.7 V, para

cualquier valor de corriente que circule en el circuito. Por otro lado cuando la

tensión a bornes sea menos a 0.7V el diodo se apaga y no circula corriente.

La ultima aproximación que debemos hacer para lograr un modelo real de un

diodo, es considerar la resistencia interna Rb de este. Por lo tanto una vez que el

diodo conduce, la tensión comienza a subir linealmente con los incrementos de

corriente.

El modelo final del diodo queda de la siguiente manera:

Vd

2

Id

AVf

0.7 V

1 KRb4 5

Cuando la tensión aplicada a bornes es mayor a 0.7V, el diodo conduce y la

tensión total del circuito es igual a:

bdd RI0.7V ⋅+=

La resistencia interna es menor a 1 ohm y puede despreciarse para analizar

circuitos.

Para comparar vamos a ver la curva real del diodo:

Id

Vd

0.7 V


23

Notamos en la curva real del diodo, que cuando esta polarizado en directa, no

hay una circulación de corriente apreciable a través de él hasta que la tensión a

bornes del diodo sea de 0.7 V. Por otro lado cuando el diodo esta polarizado en

inversa, casi no hay corriente inversa hasta que la tensión a bornes alcanza la

tensión de ruptura y el diodo se destruye.

La potencia que puede disipar un diodo se calcula de la misma manera que la de

una resistencia, esto es:

ddd IVP ⋅=

1.3.2. Diodo Zener

Como vimos, los diodos rectificadores nunca se emplean intencionalmente en la

zona de ruptura, ya que se destruyen. Un Diodo Zener es distinto, se trata de un

diodo de silicio que ha sido diseñado para que funcione en la zona de ruptura. El

diodo zener es esencial en los circuitos reguladores de tensión, que son circuitos

que mantienen la tensión casi constante independientemente de las oscilaciones

de la red y de la resistencia de carga.

El símbolo y la curva de tensión-corriente se muestran en las figuras (1.3.2.1) y

(1.3.2.2).


24

D1

1

2

Vz

K

A

Iz

Fig. (1.3.2.1)

Fig. (1.3.2.2)

La característica de Tensión-Corriente en un diodo zener es igual a la de un

diodo normal. Sin embargo, la característica inversa presenta una región en la

cual la tensión es casi independiente de la corriente por el diodo.

La tensión zener de cualquier diodo se controla en el proceso de fabricación. Los

valores normales varían entre 2 y 200 Voltios, con potencias de hasta 100 Watts.

En la mayoría de las aplicaciones, los diodos zener trabajan en la zona de

polarización inversa.

Una aplicación típica es el sencillo regulador de tensión de la figura (1.3.2.3), en

donde la tensión en la resistencia de carga, permanece constante e igual a la

tensión nominal del zener, incluso aunque varíen la tensión E y la resistencia de

carga en un amplio margen de valores.


25

VZ1

Rs

VRl

1

E

2

3

Is

Fig. (1.3.2.3)

Para que el diodo zener trabaje en la zona de zener, la tensión de la fuente, debe

ser mayor que la tensión de ruptura Vz.

La resistencia Rs, es una resistencia que se calcula para no sobrepasar la

corriente inversa máxima que soporta el diodo zener, en caso contrario el diodo

se quemaría. Este dato de corriente máxima viene dado en la hoja de

características técnicas del componente.

Para calcular esta resistencia, se define un valor de corriente de zener que este

por debajo de la máxima admisible por el diodo y se aplica la ley, esto es:

s

zs I

VR

−= E

1.4. Conceptos de Transistores Bipolares

1.4.1. Definición y Símbolos

Conceptualmente, el transistor es un dispositivo que actúa como amplificador de

corriente.

NPN

1

2

3

Ic

Ie

IbPNP

4

5

6

Ic

Ie

Ib

Fig. 1.4.1.1 El transistor tiene dos uniones, una entre el Colector y la Base y otra entre la

Base y el Colector. Por lo tanto un transistor es similar a dos diodos

contrapuestos. El diodo inferior se denomina diodo emisor y el diodo superior se

denomina diodo colector.

En la figura 1.4.1 se pueden ver los símbolos de los transistores PNP y NPN.


26

1.4.2. Relación de Corrientes Si aplicamos la ley de corrientes de Kirchhoff, que establece que la suma de las

corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen de

este, al transistor NPN de la figura (1.4.1.1), obtenemos la siguiente relación

entre las tres corrientes:

bce III +=

Como la corriente de base es mucho menor que la corriente de colector, se

puede realizar la siguiente aproximación:

ce II ≈

1.4.3. Ganancia de Corriente de un Transistor Bipolar La ganancia de un transistor se define como la relación entre la corriente

contínua del colector y la corriente contínua de la base y se expresa como:

b

c

I

I=β (1.4.3.1)

La ganancia de un transistor se conoce también como la ganancia de corriente,

porque una pequeña corriente de base produce una corriente mucho mayor en el

colector.

Para transistores de potencia inferiores a 1 Watt, la ganancia es típicamente de

100 a 300. Para transistores de potencia superiores a 1 Watt, la ganancia es

típicamente de 20 a 100.

De la ecuación (1.4.3.1) se pueden obtener dos ecuaciones equivalentes:

β

β

cb

bc

II

II

=

⋅=


27

1.4.4. Curvas de Entrada-Salida de un Transistor Bipolar La curva de entrada de un transistor bipolar es como la curva de un diodo

normal, como se ve en la figura 1.4.4.1

Fig. 1.4.4.1

Si aplicamos la Ley de Ohm a la resistencia de base de la figura 1.4.4.2

obtenemos la siguiente ecuación:

b

bebb

b

R

VVI

−=

Si se utiliza el diodo ideal entonces:

0=beV

Si se utiliza el diodo real entonces:

70.=beV

NPNRb

1

Vbb

Vcc2

0

Rc

3

4

00

Fig. 1.4.4.2

Id

Vd

0.7 V


28

La curva característica de salida de un transistor se obtiene variando las

tensiones Vbb y Vcc de la figura 1.4.4.2, para establecer diferentes corrientes y

tensiones en el transistor. Midiendo Ic y Vce, se obtienen los datos para una curva

de Ic en función de Vce.

La curva característica de salida de un transistor bipolar se muestra en la figura

1.4.4.3:

Fig. 1.4.4.3

En la figura 1.4.4.3 se pueden observar cuatro zonas de trabajo del transistor

bipolar:

• Zona Activa: El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comporta

como una fuente de corriente constante controlada por la corriente de base

• Zona de Saturación: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y lo

podemos considerar como un cortocircuito entre el colector y el emisor.

• Zona de Corte: el transistor es utilizado para aplicaciones de

conmutación y podemos considerar que las corrientes que lo atraviesan

son prácticamente nulas.

• Zona de Ruptura: El transistor nunca debe ser utilizado en esta zona, ya que se destruye.

1.5. Conceptos de Tiristores (SCR) 1.5.1. Definición y Símbolos Un Tiristor es un dispositivo electrónico semiconductor, cuya acción biestable

depende de una realimentación regenerativa entre tres junturas tipo P (ver Fig.

1.5.1.1). Es un dispositivo unidireccional porque tiene la capacidad de conducir

corriente en un solo sentido.


29

La característica de biestable del tiristor implica que el elemento tiene un estado

de conducción caracterizado por una muy baja impedancia y un estado de

apagado caracterizado por una alta impedancia.

El momento en el cual puede hacerse entrar en estado de conducción a un tiristor

es gobernado por una señal que se aplica a la compuerta y es de un valor de

potencia muy pequeño comparado con la potencia que se maneja entre ánodo y

cátodo.

SCR

1

2

3

A

K

G

Fig. 1.5.1.1 1.5.2. Formas de Disparo de un SCR

• Por Inyección de Corriente en la Gate: Al inyectar corriente en la Compuerta o Gate del dispositivo, se genera internamente un proceso

regenerativo en las uniones PN produciendo el encendido del tiristor.

• Por Incremento de la Tensión Ánodo-Cátodo: Cuando la corriente de Gate es nula, el dispositivo esta apagado. Pero si la tensión entre ánodo y

cátodo se eleva por encima del valor de la tensión directa de ruptura, el

dispositivo se dispara. Esta forma de disparo es indeseable.

• Por derivada de la tensión respecto del tiempo(dt

dvak ): Internamente el

tiristor tiene capacidades parásitas y como la corriente que circula por un

capacitor tiene la forma

dt

dvCI ak

c ⋅=

Existe una forma de disparo no deseada por variación brusca de la tensión

entre el ánodo y el cátodo. Por lo tanto, si la dv/dt es muy grande, provoca

un valor de corriente grande y el dispositivo se dispara.

Para evitar este fenómeno se utilizan redes amortiguadoras RC en paralelo

con el tiristor.

P

N

P

N


30

• Disparo por Incremento de Temperatura: En el tiristor circulan ciertas corrientes de perdida entre ánodo y cátodo. El dispositivo esta preparado

para que a la temperatura de trabajo no se dispare por estas corrientes,

pero si la temperatura se eleva demasiado por encima de la de trabajo el

tiristor se dispara. Este disparo es un disparo no deseado.

• Disparo por Luz: Hay un tipo de tiristor (LASCR), que posee una ventana por la cual inciden rayos de luz que provocan el disparo del

dispositivo. Se utilizan en control de encendido por detección o no de

luz.

1.5.3. Característica de Salida del SCR

Fig. 1.5.3.1

La figura 1.5.3.1 muestra la curva característica de salida de un tiristor. En ella

se ve reflejada la relación entre la corriente de ánodo y la tensión ánodo-cátodo,

para una corriente de gate igual a cero (Ig=0).

Podemos notar que para una tensión Vak de valor cero, no hay circulación de

corriente a través del tiristor y este esta en estado de no conducción.

A medida que comienza a aumentar la tensión Vak, comienza a circular una

pequeña corriente como consecuencia de las perdidas del tiristor. Si la tensión

Vak continua aumentando, la corriente también lo hace, hasta que llega un

momento en que la tangente a la curva en ese punto se hace infinita y el

dispositivo pasa bruscamente al estado de conducción.

Para pasar del estado de no conducción al estado de conducción, el tiristor

seguirá el camino de puntos. Esta es una zona inestable.

En el Grafico además podemos ver la recta de carga, que son todas las

combinaciones de valores de tensión y corriente de salida para una resistencia de

carga fija.

Vamos a analizar ahora que sucede cuando inyectamos una corriente en la gate

del tiristor:

V-VAK

Ro


31

Fig. 1.5.3.2

Si observamos la figura 1.5.3.2, notamos que al incrementar Ig, es como si

estuviésemos corriendo la curva característica del tiristor. Así llegamos a un

valor de Ig tal que la curva de este se hace tangente a la recta de carga y en

consecuencia, el tiristor pasa al estado de conducción, que corresponde al punto

2.

Si dejo aplicada la corriente de gate, una vez que el tiristor se disparo, este

permanece en estado de conducción, o sea en el punto 2.

Si saco la corriente, la curva vuelve al estado inicial (Ig=0), pero el tiristor

permanece encendido.

Para apagar este tiristor es necesario hacer caer a la corriente por debajo del

valor de corriente de holding (mantenimiento).

Cuando trabajamos con corrientes alternas, el tiristor se apaga solo. Esto se debe

a que la tensión entre ánodo y cátodo es una tensión senoidal, crece desde cero a

un valor máximo y luego comienza a disminuir su valor nuevamente, llega un

momento en que disminuye tanto que la corriente que circula por el tiristor se

hace menor a la corriente de holding y se apaga.

1.6. Conceptos de Amplificadores Operacionales 1.6.1 Modelo y Símbolo del Amplificador Operacional

Entrada noInversora

Entrada Inversora

+Vcc

-Vee

Salida

Fig. 1.6.1.1

Ig=0 1

IH


32

Rin

Rout

Av(V1-V2)

V1

V2

Vout

Fig. 1.6.1.2 La figura 1.6.1.1 representa el símbolo eléctrico de un Amplificador

Operacional. Tiene una entrada inversora, una entrada no inversora y una salida

de un solo Terminal. Idealmente este símbolo significa que el amplificador tiene

Ganancia de tensión infinita, impedancia de entrada infinita e impedancia de

salida cero.

El amplificador operacional ideal representa un amplificador de tensión perfecto

y se lo denomina como fuente de tensión controlada por tensión y se lo

representa como indica la figura 1.6.1.2, donde Rin es infinita y Rout es cero.

1.6.2 Amplificador Operacional Inversor El amplificador inversor es el circuito amplificador operacional más básico.

Utiliza realimentación negativa para estabilizar la ganancia de tensión total.

La razón por la que se necesita estabilizar la ganancia de tensión total es porque

Av es demasiado grande para ser utilizada. Por ejemplo la ganancia de

amplificador LM741 es de 200.000 veces.

Vin

R1

R2

7

V2+

-Vout

Fig. 1.6.2.1

En la figura 1.6.2.1 se muestra un amplificador operacional inversor. Una

tensión de entrada Vin excita la entrada inversora a través de la resistencia R1, lo

que produce una tensión de entrada inversora V2. Esta tensión de entrada es

amplificada por la ganancia de tensión de lazo abierto Av para producir una

tensión de salida invertida. La tensión de salida se realimenta hacia la entrada a

través de la resistencia de realimentación R2, lo que produce una realimentación

negativa porque la salida esta desfasada 180º con respecto a la entrada. En otras

palabras, ante cualquier cambio en la tensión V2 producido por la tensión de

entrada, se le opone un cambio debido a la señal de salida.


33

La ganancia de tensión de lazo cerrado esta dada por:

1

2

R

RALC −=

1.6.3 Amplificador Operacional No Inversor El amplificador no inversor es otro circuito básico de amplificador operacional.

Utiliza realimentación negativa para estabilizar la ganancia total de tensión.

R1

R2

Vin VoutV2

V1

Fig. 1.6.3.1

La figura 1.6.3.1 representa el circuito equivalente de un amplificador no

inversor. Una tensión Vin excita la entrada no inversora y es amplificada para

producir la tensión de salida en fase.

Parte de esta tensión de salida se realimenta hacia la entrada a través de un

divisor de tensión. La tensión a bornes de R1 es la tensión de realimentación que

se aplica a la entrada inversora.

La ganancia de tensión de lazo cerrado esta dada por:

1

21R

RALC +=

1.6.4 Amplificador Operacional Sumador

R1

Rf

Vout

R2

V1

V2

Fig. 1.6.4.1 La figura 1.6.4.1 muestra un amplificador operacional sumador de dos entradas,

pero en realidad podemos tener tantas entradas como se necesiten.


34

El amplificador sumador amplifica cada señal de entrada. La ganancia para cada

canal de entrada viene dada por el cociente entre la resistencia de realimentación

y la resistencia de entrada de ese canal. Por ejemplo, las ganancias de tensión en

lazo cerrado de la figura 1.6.4.1 son:

2

2

1

1

R

RA

R

RA

f

LC

f

LC

−=

−=

El circuito sumador combina todas las señales de entrada amplificadas en una

sola salida, dada por:

2211 VAVAV LCLCout ⋅+⋅=

1.6.5 Amplificador Operacional Integrador

RVoutVi

C

Fig. 1.6.5.1

La figura 1.6.5.1 muestra un amplificador integrador. Este circuito da una

tensión de salida proporcional a la integral de la entrada.

La tensión de salida tendrá la siguiente forma:

dtVRC

Vt

iout ⋅−= ∫1


35


INTRODUCCION AL MAGNETISMOINTRODUCCION AL MAGNETISMOINTRODUCCION AL MAGNETISMOINTRODUCCION AL MAGNETISMO

2.1. Voltaje Inducido por un Campo Magnético Variable Vamos a analizar como un campo magnético puede afectar sus alrededores.

La Ley de Faraday establece que si un flujo atraviesa una espira de alambre

conductor, se inducirá en ésta un voltaje directamente proporcional a la tasa de

cambio de flujo con respecto al tiempo, lo cual se expresa con la siguiente

ecuación:

dt

deind

φ= (2.1.1)

Donde eind es el voltaje inducido en la espira y φ es el flujo que atraviesa la

espira. Si la bobina tiene N espiras y el mismo flujo circula en todas ellas, el

voltaje inducido estará dado por:

dt

dNeind

φ⋅= (2.1.2)

Donde: inde = voltaje inducido en la bobina

N = numero de vueltas de alambre en la bobina

φ = flujo que circula en la bobina

La ley de Faraday es la propiedad fundamental de los campos magnéticos que

intervienen en la operación de los transformadores. También explica las

perdidas debidas a las corrientes parasitas. Un flujo variable en el tiempo induce

voltaje dentro de un núcleo ferromagnético, causando flujos de corriente que

circulan por este, calentándolo.

2.2. Fuerza Inducida en un Conductor Un segundo efecto importante de un campo magnético sobre sus alrededores es

que induce una fuerza sobre un alambre conductor que porta corriente y se

encuentra dentro de un campo. El concepto se ilustra en la figura 2.2.1, que

muestra un conductor dentro de un campo magnético uniforme de densidad de


36

Flujo B, y que apunta hacia el interior de la hoja. El conductor mide L metros y

porta una corriente de i amperes. La Fuerza inducida sobre el conductor estará

dada por:

( )LxBiF ⋅= (2.2.1)

Donde i = corriente que circula por el alambre

L = longitud del alambre

B = vector de densidad de flujo magnético

La dirección de la fuerza esta dada por la regla de la mano derecha: si el dedo

pulgar de la mano derecha apunta en la dirección del vector L y el dedo mayor

apunta en dirección del vector B, entonces el dedo índice apuntará en dirección

de la fuerza resultante sobre el alambre. La magnitud de esta fuerza esta dada

por:

θsenBLiF ⋅⋅⋅= (2.2.2)

Fig. 2.3.1 La Inducción de una fuerza en un alambre conductor que porta corriente en

presencia de un campo magnético es la base de la acción motriz.

2.3. Voltaje Inducido en un Conductor dentro de un Campo Magnético Hay una tercera forma importante de interacción entre un campo magnético y su

alrededor. Si un alambre conductor orientado de manera adecuada se desplaza a

través de un campo magnético, se induce un voltaje en el. Esta idea se ilustra en

la figura 2.3.1. El voltaje inducido en el alambre esta dado por:

i L F

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

B


37

( ) LBveind ⋅= x (2.3.1)

Donde v = velocidad del alambre

B = vector de densidad de flujo

L = longitud del conductor en el campo magnético

Fig. 2.3.1 La inducción de voltaje en un alambre conductor que se mueve dentro de un

campo magnético es el fundamento de la operación de todo tipo de generador.

+++

+++

Ind. v

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

B

- - -

- - -

v x B


38


INTRODUCCION A LOS TRANSFORMADORESINTRODUCCION A LOS TRANSFORMADORESINTRODUCCION A LOS TRANSFORMADORESINTRODUCCION A LOS TRANSFORMADORES

3.1. El Transformador Ideal Un transformador ideal es un dispositivo sin perdidas, con un devanado de

entrada y un devanado de salida. Las relaciones entre el voltaje de entrada y el

voltaje de salida y entre las corrientes de entrada y salida, están dadas por dos

sencillas ecuaciones. La figura 3.1.1 muestra un transformador ideal.

Fig. 3.1.1 El transformador mostrado en la figura 3.1.1 tiene Np vueltas de alambre en el

primario y Ns vueltas en el secundario. La relación entre el voltaje Vp aplicado al

lado primario del transformador y el voltaje Vs producido en el lado secundario

es:

aN

N

V

V

s

p

s

p == (3.1.1)

Donde a es la relación de vueltas del transformador

La relación entre la corriente ip que fluye en el primario y la corriente is que sale

por el secundario es:

sspp ININ ⋅=⋅ (3.1.2)

ip

Np Ns Vp

is

Vs


39

aI

I

s

p 1= (3.1.3)

La potencia de salida de un transformador ideal es igual a su potencia de entrada

y esta dada por:

θcos⋅⋅= ppout IVP (3.1.4)

3.2. El Autotransformador En la figura 3.2.1 se muestra el esquema de un autotransformador elevador,

donde se observa que el primer bobinado es conectado en serie con el segundo.

Ahora, la relación entre el voltaje del primario y el voltaje del secundario esta

dado por la relación de vueltas del transformador. Sin embargo, en la salida del

transformador, el voltaje completo es la suma del voltaje en el primer bobinado

y el voltaje en el segundo. El primer bobinado se denomina Bobinado Común debido a que su voltaje aparece en ambos lados del transformador. El bobinado

mas pequeño se denomina Bobinado Serie porque esta conectado en serie con el bobinado común.

La figura 3.2.2 muestra un autotransformador reductor. Aquí, el voltaje de

entrada es la suma de los voltajes de los bobinados serie y común, mientras que

el voltaje de salida es justamente el voltaje del bobinado común.

Debido a que las bobinas de los auto transformadores están físicamente unidos,

para el autotransformador se utiliza una terminología diferente a los demás

transformadores. El voltaje del bobinado común se llama Voltaje Común Vc y

la corriente en este bobinado se llama Corriente Común Ic. El voltaje del bobinado serie se llama Voltaje Serie Vse y la corriente se llama Corriente Serie Ise. El voltaje y la corriente del lado de bajo voltaje del autotransformador

son llamados Vl e Il, mientras que las cantidades correspondientes al lado de alto

voltaje del autotransformador son llamadas Vh e Ih. El lado primario del

autotransformador puede ser el de alto o el de bajo voltaje dependiendo de si

actúa como reductor o como elevador de tensión.

De la figura 3.2.1 podemos ver que los voltajes y las corrientes de las bobinas se

relacionan por las siguientes ecuaciones:

sesecc

se

c

se

c

ININ

N

N

V

V

⋅=⋅

=

Los voltajes de los bobinados se relacionan con los voltajes de los terminales

mediante la siguientes ecuaciones:


40

sech

cl

VVV

VV

+==

Y las corrientes de los bobinados se relacionan con las corrientes de los

terminales mediante las siguientes ecuaciones:

seh

secl

II

III

=+=

La relación de voltajes y corrientes entre los lados de alto y bajo voltaje del

autotransformador esta dada por las siguientes ecuaciones:

cse

c

h

l

NN

N

V

V

+= (3.2.1)

c

cse

h

l

N

NN

I

I +=

Fig. 3.2.1 Fig. 3.2.2

Vc

Vse IL

IH

Ise

Ic

Nse

Nc

VL

VH NcN

VL

Ise

Ic

Nse

VH

Nc


41

3.3. Transformadores Trifásicos

La figura 3.3.1 muestra un transformador trifásico. Este está formado por tres

conjuntos de bobinados enrollados sobre un núcleo común.

Fig. 3.3.1

Conexiones de los Transformadores Trifásicos:

Conexión Y-Y: Esta conexión se muestra en la figura 3.3.2 y puede notarse que

el voltaje primario de cada fase del transformador esta dado por:

3

LPp

VV =φ

El voltaje de fase primario esta relacionado con el voltaje de fase secundario por

la relación de vueltas del transformador. El voltaje de fase en el secundario esta

relacionado con el voltaje de línea en el secundario por:

sLS VV φ⋅= 3

Entonces la relación del transformador es:

aV

V

V

V

s

p

LS

LP =⋅⋅

=φ

φ

3

3 (3.3.1)

Np1

Ns1

Np2

Ns2

Np3

Ns3


42

Fig. 3.3.2

Conexión Y-∆: En esta conexión, el voltaje primario de línea esta relacionado

con el voltaje primario de fase por:

pLP VV φ⋅= 3

Mientras que el voltaje secundario de línea es igual al voltaje secundario de fase

sLS VV φ=

La relación de voltajes de cada fase es:

aV

V

s

p =φ

φ

La relación total entre el voltaje de línea primario y el voltaje de línea

secundario esta dada por:

aV

V

LS

LP ⋅= 3 (3.3.2)

Fig. 3.3.3


43

Conexión ∆-Y: En esta conexión, el voltaje primario de línea es igual al voltaje

primario de fase

pLP VV φ=

Los voltajes secundarios están relacionados por:

sLS VV φ⋅= 3

La relación de voltajes línea a línea es:

s

p

LS

LP

V

V

V

V

φ

φ

⋅=

3

3

a

V

V

LS

LP = (3.3.3)

Fig. 3.3.4

Conexión ∆-∆: En esta conexión

sLS

pLP

VV

VV

φ

φ

=

=

La relación entre los voltajes de línea primario y secundario es:

aV

V

V

V

s

p

LS

LP ==φ

φ (3.3.4)


44

Fig. 3.3.5


45

CAPÍTULOCAPÍTULOCAPÍTULOCAPÍTULO

4444

CIRCUITOS RECTIFICADORES CON DIODOSCIRCUITOS RECTIFICADORES CON DIODOSCIRCUITOS RECTIFICADORES CON DIODOSCIRCUITOS RECTIFICADORES CON DIODOS

4.1. Rectificador Monofásico de Media Onda

Fig. 4.1.1

Fig. 4.1.2

La figura 4.1.2 superior muestra la forma de onda de la tensión instantánea de

entrada vs, con un valor eficaz Vs y un valor pico Vp.

La figura 4.1.2 inferior muestra la forma de onda de la tensión de salida con un

valor medio Vo.

Analicemos ahora el circuito de la figura 4.1.1. Para esto vamos a suponer que

los diodos son ideales, es decir que tienen resistencia dinámica cero y tensión

umbral cero.

En el semiciclo positivo de la tensión de entrada vs, el diodo D1 esta polarizado

en directa, por lo tanto entra en estado de conducción y la tensión de entrada vs aparece aplicada a los bornes de la resistencia de carga Ro.

Vo

Vs24 V 60 Hz 0Deg

D1

Ro

1 2

0

Io

Vo

Vp


46

En el semiciclo negativo el diodo D1 esta polarizado en inversa, esto provoca

que se apague y aparezca tensión cero a bornes de la resistencia de carga.

Este proceso se ve reflejado en la figura 4.1.2. inferior.

Podemos ver entonces que la corriente en la carga circula en un sentido y solo

en el semiciclo positivo.

Si observamos la forma de onda de entrada vs podemos notar que no posee valor

medio de tensión. Esto se debe a que el valor medio de una forma de onda es la

suma de las áreas encerradas por esta en un periodo, dividida por la cantidad de

áreas en ese mismo periodo y como la señal de entrada posee un área positiva y

una área exactamente igual pero de signo opuesto, se anulan entre si.

Si observamos la forma de onda de salida Vo podemos notar que esta si tiene

valor medio de tensión, o tensión continua, debido a que no tiene el semiciclo

negativo, por lo tanto tendríamos que calcular el valor del área encerrada debajo

de la curva y así poder conocer el valor medio de tensión en la resistencia de

carga Ro.

Como el cálculo de la ecuación integral para conocer el valor medio de la forma

de onda de la tensión de salida Vo escapa a los fines de este curso solo vamos a

colocar la expresión inicial y la formula final de esta.

La tensión de entrada vs es una tensión senoidal y los valores instantáneos de

esta tienen la siguiente expresión matemática:

( )ωt senVv p s ⋅= (4.1.1)

El valor medio de tensión en la carga estará dado por la resolución de la

siguiente integral:

∫∫−

⋅⋅==2

2

0 2

11π

πθθ

πθ dVdv

Tp

T

s cosVo

Donde: θ = ωt

T = Periodo

Resolviendo esta integral llegamos a:

pP V0.318V1 Vo ⋅⋅= ≈π

(4.1.2)

Para saber cuanto vale el valor pico Vp debemos conocer el valor eficaz de la

señal de entrada y para esto hay que calcular la siguiente integral:


47

∫∫−

⋅⋅==2

2

22

0

2

2

11π

πθθ

πθ dVdv

Tp

T

s cosVs

Resolviendo esta integral llegamos a:

Vs2 Vp ⋅= (4.1.3)

Reemplazando (4.1.3) en (4.1.2) nos queda:

so V0,45 V ⋅= (4.1.4)

La corriente de continua Io en la carga estará dada por:

Ro

Vo Io = (4.1.5)

El valor pico de tensión inversa (PIV=Peak Inverse Voltage) que tiene que

soportar el diodo D1 debe ser menor que la tensión de ruptura de este, de otro

modo el diodo se destruiría.

En el caso del rectificador monofásico de media onda será de:

pVPIV =

Observando la forma de onda de la tensión de salida Vo, en la figura 4.1.2

inferior, podemos notar que está compuesta por un valor de Continua Vo y un

valor de Alterna (la parte fluctuante). Esta condición no es aceptable ya que al

rectificar una señal de alterna lo que se esta buscando es un valor de tensión

continua lo mas pura posible, es decir, sin contenido de alterna.

Para solucionar este problema se utilizan filtros y el más utilizado para las

fuentes de alimentación en la actualidad es el capacitivo.

Si al circuito de la figura 4.1.1 le agregamos un capacitor a la salida nos queda:

Vs24 V 60 Hz 0Deg

D11

C1 Ro

2

Io

Vo

0

Fig. 4.1.3


48

Fig. 4.1.4

El filtro capacitivo genera una tensión de salida continua igual al valor pico de la

tensión de entrada.

Para poder entender el funcionamiento de este filtro debemos analizar que

sucede durante el primer cuarto de ciclo. Para esto vamos a suponer que el

capacitor se encuentra inicialmente descargado, que los diodos son ideales y que

la constante de tiempo RoC es mucho mayor al periodo de la señal de entrada.

Si observamos la figura 4.1.4, durante el primer cuarto de ciclo el diodo esta

polarizado en directa, por lo tanto conduce, el capacitor comienza a cargarse y

su tensión se iguala a la tensión de la fuente en cada instante del primer cuarto

de ciclo. La carga del capacitor continúa hasta que el valor de la tensión de

entrada alcanza su valor pico Vp. En este punto la tensión del capacitor es igual

al Vp.

Luego que la tensión de entrada alcanza su valor pico, comienza a decrecer. Tan

pronto como la tensión de entrada sea menor a Vp, el diodo se apaga y continúa

en ese estado hasta que la tensión de entrada vuelve a ser mayor que la tensión

del capacitor.

Para resumir podemos decir que entre picos el diodo esta apagado y el capacitor

se descarga a través de la resistencia de carga, en otras palabras, el

capacitor suministra la corriente a la carga. Como el capacitor se descarga

ligeramente entre picos, el rizado pico a pico que queda superpuesto a la tensión

de continua es pequeño. En el próximo ciclo el diodo conduce brevemente y

recarga al capacitor al valor pico de la tensión de entrada.

Para calcular el rizado o riple se utiliza la siguiente formula:

Cf

IV o

r ⋅=


49

Donde: Vr = Tensión de riple pico a pico

Io = Corriente continua en la carga

f = Frecuencia de riple

C = Capacidad

Cuando se trabaja con un filtro capacitivo en un rectificador de media onda hay

que tener en cuenta que la tensión pico inversa que debe soportar el diodo es el

doble que sin el filtro. Esto es debido que en el semiciclo negativo la tensión del

capacitor se suma a la de la señal de entrada.

4.2. Rectificador Monofásico de Onda Completa

D1 D2

D3 D4

RoVs24 V 60 Hz 0Deg

3

12

0

Vo

Io

Fig. 4.2.1

D1

D4

RoVs24 V 60 Hz 0Deg

Vo

Io

3

20

1

D2

D3

RoVs24 V 60 Hz 0Deg

Vo

Io

3

1

02

Fig. 4.2.2 Fig. 4.2.3


50

Fig. 4.2.4 La figura 4.2.4 superior muestra la forma de onda de la tensión instantánea de

entrada vs, con un valor eficaz Vs y un valor pico Vp.

La figura 4.2.4 inferior muestra la forma de onda de la tensión de salida con un

valor medio Vo.

Analicemos ahora el circuito de la figura 4.2.1. Para esto vamos a suponer que

los diodos son ideales, es decir que tienen resistencia dinámica cero y tensión

umbral cero.

En el semiciclo Positivo de la tensión de entrada Vs, los diodos D1 y D4 están

polarizados en directa, por lo tanto, entran en estado de conducción y la tensión

de entrada Vs aparece aplicada a bornes de la resistencia de carga Ro.

En el semiciclo Negativo, los diodos D2 y D3 están polarizados en directa, por

lo tanto, entran en estado de conducción y la tensión de entrada Vs aparece

aplicada a los bornes de la resistencia de carga Ro.

Este proceso se ve reflejado en la Fig. 4.2.4 inferior.

En las figuras 4.2.2 y 4.2.3 puede notarse que la corriente por la carga circula

siempre en el mismo sentido, independientemente del par de diodos que

conduzca. Esta es la razón por la cual el voltaje en la carga es una señal

rectificada de la señal de entrada.

Si observamos la forma de onda de salida Vo, podemos notar que tiene valor

medio de tensión o tensión continua. Por lo tanto para calcularla debemos

resolver la siguiente integral:

∫∫−

⋅⋅==2

2

0

11π

πθθ

πθ dVdv

Tp

T

s cosVo

p

pV

V6360

2.Vo ==

π (4.2.1)

Vs

Vo


51

Sabemos que:

sV⋅= 2pV (4.2.2)


sV⋅⋅= 26360.Vo

sV⋅= 90.Vo

La corriente continua en la carga estará dada por:

o

o

R

V=oI

La corriente por diodo estará dada por:

2

oI=dI

La Tensión pico inversa que deben soportar los diodos esta dada por:

pV=VPI

La frecuencia de la tensión Vo estará dada por:

inf2=f

4.3. Rectificador Trifásico de Media Onda

D1

D2

D3

V1

120 V 60 Hz

3PH

1

2

3

0

Ro

4

0

vs1

vs2

vs3

Id1

Id2

Id3

Vo

Io

Fig. 4.3.1


52

Fig. 4.3.2

Para realizar el análisis de este circuito vamos a suponer que los diodos son

ideales y que el transformador de alimentación también es ideal.

Las tensiones instantáneas de las tensiones de entrada son:

+⋅⋅=

−⋅⋅=

⋅⋅=

3

22

3

22

2

3

2

1

πθ

πθ

θ

senVv

senVv

senVv

ss

ss

ss

Para el ángulo ωto , la tensión más positiva de todas es vs1, por lo tanto, el único

diodo que esta en condiciones de conducir es el diodo D1. Este entra en estado

de conducción y todos los demás diodos quedan inversamente polarizados, es

decir, apagados.

Esta condición permanece hasta el ángulo ωt1, donde la tensión más positiva

pasa a ser vs2, por lo tanto, el diodo D1 se apaga y comienza a conducir el diodo

D2. El diodo D3 permanece inversamente polarizado.

En el ángulo ωt2, la tensión más positiva pasa a ser vs3, por lo tanto el diodo D2

se apaga y comienza a conducir el diodo D3. El diodo D1 permanece

inversamente polarizado.

Del análisis anterior podemos notar que cada diodo conduce un ángulo

determinado y para saber cual es ese ángulo de conducción de cada diodo

planteamos:

01 ttc ωωθ −=

ωto ωt1 ωt2


53

Para hallar ωt0 observamos la fig. 4.3.2 superior y notamos que para un tiempo

ωt0 se cumple que:

to

toto

tototo

tototo

toto

tostos

ss

tg

sen

sensen

sensensen

sensen

senVsenV

VV

ω

ωω

ωωω

ωππωω

πωω

πωω

=

=

+−=

⋅+⋅=

+=

+⋅⋅=⋅⋅

=

3

3

2

3

2

3

2

3

2

1

3

2

3

2

3

2

3

222

31

cos

cos

coscos

030=toω

Para un tiempo ωt1 se cumple que:

21 ss VV =

−⋅⋅=⋅⋅3

222 11

πωω tsts senVsenV

−=3

211

πωω tt sensen

1113

2

3

2ttt sensensen ωππωω coscos ⋅−⋅=

1112

3

2

1ttt sensen ωωω cos−−=

112

3

2

3ttsen ωω cos−=

13

3ttgω=−


54

0

1 150=tω

Por lo tanto el ángulo de conducción de cada diodo será:

o

c 120=θ

Generalizando:

Donde: m = numero de fases.

Para calcular el valor medio de tensión en la carga tenemos que calcular el área

debajo de la curva de la figura 4.3.2 inferior. Para esto debemos resolver la

siguiente integral:

θθπθ

π

πdVdv

TV s

T

so ⋅⋅⋅== ∫∫−

cos3

3

0

2

3

2

11

Resolviendo se llega a:

so VV ⋅= 171.

El valor medio de corriente en la carga esta dado por:

o

oo

R

VI =

La corriente por diodo esta dada por:

3

od

II =

La tensión pico inversa que tienen que soportar los diodos esta dada por:

opin VV ⋅= 092.

mc

πθ 2=


55

4.4. Rectificador Trifásico de Onda Completa

D1 D2 D3

Ro

vs1

vs2

vs3

Vo

Io

D4 D5 D6

vs

120 V 60 Hz

3PH

12

3

4

0

Fig. 4.4.1

Fig. 4.4.2

En este circuito rectificador, para que haya conducción de corriente sobre la

carga es necesario que haya dos diodos conduciendo simultáneamente.

Para entender este circuito vamos a empezar nuestro análisis en el momento en

que la tensión vs1 tiene una fase de 30º. En ese punto la tensión mas positiva de

30º

90º

150º


56

todas es justamente vs1, y la tensión mas negativa de todas es la vs2. El diodo D1

al tener en su ánodo la tensión mas positiva entrara en estado de conducción,

esto provoca que sobre los cátodos de D2 y D3 aparezca la tensión vs1 y queden

polarizados en inversa, o sea apagados.

La corriente hasta ahora circula de la fuente vs a través del diodo D1, pasa por la

resistencia de carga y retorna a la fuente a través del diodo D5 que es el que

tiene en su cátodo la tensión mas negativa de todas.

Cuando la tensión vs1 tenga una fase de 90º, la tensión mas positiva seguirá

siendo vs1, pero ahora la tensión mas negativa pasa a ser la vs3, por lo que hay

una cambio en el diodo de retorno. Ahora la corriente circula por el diodo D1,

pasa por la resistencia de carga y retorna por el diodo D6.

Cuando la tensión vs1 tenga una fase de 150º deja de ser la mas positiva de todas,

la tensión vs2 pasa a ser la mas positiva y hay una conmutación en los diodos

positivos. Ahora la corriente circulara a través del diodo D2 y retornara por el

diodo D6.

Este proceso se repite permanentemente, el puente de diodos va conmutando el

diodo de ida y el diodo de retorno en función de cual sea la tensión más positiva

y cual la más negativa.

Para calcular el valor medio de tensión en la carga planteamos la siguiente

integral:

θθπθ

π

πdVdv

TV ss

T

o ⋅⋅⋅⋅=⋅⋅= ∫∫−

cos23

3

13

1 6

6

0

Resolviendo se llega a:

so VV ⋅= 342.

El valor medio de corriente en la carga esta dado por:

o

oo

R

VI =

La corriente por diodo esta dada por:

3

od

II =

La tensión pico inversa que tienen que soportar los diodos esta dada por:

opin VV ⋅= 051.


57

4.5. Rectificador Trifásico de Onda Completa Controlado

SCR1 SCR2 SCR3

SCR4 SCR5 SCR6

Ro

V1

120 V 60 Hz

3PH

Io

Vo

Fig. 4.5.1

En la figura 4.5.1 se muestra un rectificador trifásico de onda completa

controlado con tiristores. En esencia este circuito trabaja de la misma manera

que el circuito rectificador trifásico de onda completa con diodos. Se dice que es

controlado porque controlando el ángulo de disparo de cada tiristor puede

controlarse el valor de tensión a la salida del puente.

En este circuito rectificador la relación entre las corrientes esta dada por las

siguientes ecuaciones:

DCAC

ACDC

II

II

⋅=⋅=

8170

221

.

.

Si cada tiristor es disparado en el instante en que las polaridades de conducción

son las adecuadas, como en el caso del puente con diodos, la tensión a la salida

del puente será máxima, el ángulo de disparo será cero y las formas de onda de

salida del puente serán como las que muestra la figura 4.5.2.

A medida que vamos aumentando el ángulo de disparo, o el retardo en disparar,

el valor de continua en la salida del puente rectificador ira disminuyendo.

En la figura 4.5.3 podemos ver la forma de onda de salida del puente para un

ángulo de disparo de 60º.

En la figura 4.5.4 podemos ver la forma de onda de salida del puente para un

ángulo de disparo de 90º.


58

Fig. 4.5.2


59

Fig. 4.5.3


60

Fig. 4.5.4


61


MOTORES Y GENERADORESMOTORES Y GENERADORESMOTORES Y GENERADORESMOTORES Y GENERADORES

5.1. Generadores de Corriente Alterna Los generadores sincrónicos son por definición sincrónicos, lo cual significa que la frecuencia eléctrica producida esta entrelazada o sincronizada con la tasa

mecánica de rotación del generador.

En un generador sincrónico se aplica una corriente continua al bobinado del

rotor, la cual produce un campo magnético. De esta manera cuando al rotor del

generador se lo hace girar mediante un motor primario, produce un campo

magnético rotacional dentro de la maquina. Este campo magnético rotacional

induce un grupo trifásico de voltajes en los bobinados del estator del generador.

En esencia, el rotor de un generador sincrónico es un gran electro imán.

En generadores grandes, como el de la figura 5.1.1, para suministrar la corriente

de continua al campo del rotor se utilizan excitatrices. Una excitatriz es un

generador de corriente alterna pequeño cuyo circuito de campo esta montado en

el estator y su circuito de armadura esta montado sobre el eje del rotor. La salida

trifásica del generador excitador es rectificada a corriente continua a través de

un puente rectificador trifásico montado en el eje del generador. De esta manera

controlando la corriente de campo de la excitatriz, e posible ajustar la corriente

de campo de la maquina principal.

La relación entre la tasa de giro de los campos magnéticos de la maquina y la

frecuencia eléctrica del estator se expresa mediante la ecuación:

120

Pnf m

e

⋅= (5.1.1)

Donde ef = frecuencia eléctrica en Hz

mn = velocidad del rotor

P= numero de polos


62

Fig. 5.1.1

5.2. Motor de Corriente Continua Shunt En la figura 5.3.1 se muestra el circuito equivalente de un motor de corriente

continua. En esta figura, el circuito del inducido esta representado por una

fuente ideal de voltaje Ea y una resistencia Ra. Las bobinas de campo que

producen el flujo magnético en el motor están representadas por la inductancia

Lf y la resistencia Rf.

El voltaje interno generado en esta maquina esta dado por la siguiente ecuación:

ωφ ⋅⋅= KEa (5.3.1)

Y el par inducido desarrollado por la maquina esta dado por:

aind IK ⋅⋅= φτ (5.3.2)

Estas dos ecuaciones son las herramientas que vamos a utilizar para analizar el

comportamiento y el funcionamiento de los motores Shunt y Serie.

Ea

A

Ra

RF

LF

Ia

A1

A2

F1

F2

Fig. 5.3.1

En la figura 5.3.2 se muestra el circuito equivalente de un motor de corriente

continua Shunt. En un motor Shunt, el circuito de campo es alimentado por una

fuente de potencia separada de voltaje constante.


63

EaA

Ra

RF

LF

Ia

A1

A2

F1

F2

IF

VF VT

Fig. 5.3.2

Las características de salida de un motor son el par al eje y la velocidad, por lo

tanto, el grafico de salida de un motor será como el de la figura 5.3.3.

Fig. 5.3.3

Vamos a analizar ahora como responde el motor Shunt a una carga.

Supongamos que aumenta la carga en el eje del motor, entonces el par de la

carga τcarga excederá al par inducido τind en la maquina, y el motor comenzara a

perder velocidad. Cuando el motor se frena, su voltaje interno generado Ea

disminuye:

( )↓⋅⋅= ωφKEa

y la corriente del inducido del motor Ia aumenta:

↓−=a

aTa

R

EVI

Cuando la corriente del inducido aumenta, aumenta el par inducido τind:

( )↑⋅⋅= aind IK φτ

y finalmente, el par inducido igualara al par de la carga a una velocidad

mecánica de rotación ω mas baja.

τind

ω


64

La característica de salida de un motor Shunt se puede deducir de las siguientes

ecuaciones:

aaaT RIEV ⋅+=

Reemplazando a Ea nos queda:

aaT RIwKV ⋅+⋅⋅= φ (5.3.3)

Despejando Ia de (5.3.2) nos queda:

φ

τ⋅

=K

I inda (5.3.4)


aind

T RK

wKV ⋅⋅

+⋅⋅=φ

τφ

Despejando la velocidad nos queda:

( ) ind

aT

K

R

K

V τφφ

ω ⋅⋅

−⋅

=2

Para controlar la velocidad de un motor Shunt, regulamos el valor de voltaje

aplicado a los terminales del inducido sin cambiar el voltaje aplicado al campo.

De esta manera, si suponemos que el voltaje de la armadura VT aumenta, la

corriente del inducido del motor Ia aumenta:

−↑=a

aTa

R

EVI

Como Ia aumenta, el par inducido aumenta:

( )↑⋅⋅= aind IK φτ

De modo que el par inducido es mayor al par de la carga y la velocidad ω del

motor aumenta.

Como la velocidad ω aumenta, el voltaje interno generado Ea aumenta:


65

( )↑⋅⋅= wKEa φ

Este aumento causa una disminución en la corriente del inducido, reduciendo el

par inducido τind, que iguala al par de la carga a una velocidad de rotación

mecánica ω mayor.

En la figura 5.3.4 se muestra el efecto de un aumento de VT.

Fig. 5.3.4

El Problema que presenta este tipo de motor es que si por alguna razón el

circuito de campo se abre cuando el motor esta girando, el flujo de la maquina

caería bruscamente al valor del flujo residual, y por lo tanto Ea también

disminuiría. Esto causaría un aumento enorme en la corriente del inducido, el

par inducido resultante será bastante mayor que el par de la carga, por lo tanto,

la velocidad del motor comenzara a aumentar y continuara incrementándose

provocando la rotura del motor por sobre velocidad.

Es por esto que en los circuitos de campo se coloca un relé de perdida de campo

para desconectar al motor de la línea de alimentación si se produce la perdida de

corriente de campo.

5.3. Motor de Corriente Continua Serie

Un motor de corriente continua serie es motor cuyo bobinado de campo consta

de unas pocas vueltas conectadas en serie con el bobinado del inducido. El

circuito equivalente de un motor de corriente continua serie se muestra en la

figura 5.4.1

τind

ω

VT1

VT2

VT2>VT1


66

EaA

Ra Rs Ls

Ia

A1

A2

VT

Fig. 5.4.1

En un motor serie, la corriente del inducido y la corriente de campo son iguales.

La ecuación correspondiente al voltaje de este motor es:

( )saaaT RRIEV +⋅+=

La característica de salida de un motor serie es muy diferente a la de un motor

shunt. El comportamiento básico de un motor serie se debe al hecho que el flujo

es directamente proporcional a la corriente del inducido. Cuando se incrementa

la carga del motor, también se incrementa su flujo. Un aumento de flujo en el

motor ocasiona una disminución en su velocidad, el resultado es una caída

drástica en la característica par-velocidad del motor serie.

El par inducido en esta maquina esta dado por la siguiente ecuación:

aind IK ⋅⋅= φτ

En esta maquina, el flujo es directamente proporcional a la corriente del

inducido y esta dado por:

aIc ⋅=φ (5.4.1)

Donde c es una constante de proporcionalidad.

El par inducido entonces estará dado por:

2

aind IcK ⋅⋅=τ (5.4.2)

En otras palabras el par del motor serie es proporcional al cuadrado de la

corriente del inducido. Como resultado de esta ecuación, no es difícil notar que

el motor serie produce más par por amper que cualquier otro motor de continua.

La característica de salida de un motor serie se puede deducir de las siguientes

ecuaciones:

( )saaaT RRIEV +⋅+= (5.4.3)

De la ecuación (5.4.1), la corriente del inducido puede expresarse como:


67

cK

I inda ⋅

= τ (5.4.4)

También sabemos que:

ωφ ⋅⋅= KEa (5.4.5)

Sustituyendo (5.4.4) y (5.4.5) en la ecuación (5.4.3) nos queda:

( )saind

T RRcK

KV +⋅⋅

+⋅⋅= τωφ (5.4.6)

A la ecuación (5.4.1) la podemos expresar como:

c

Ia

φ= (5.4.7)

Reemplazando (5.4.7) en la ecuación (5.4.2) nos queda:

2φτ ⋅=

c

Kind

Despejando el flujo de la ecuación anterior nos queda:

indK

c τφ ⋅= (5.4.8)

Reemplazando (5.4.8) en la ecuación (5.4.6) y despejando ω nos queda:

( )

cK

RR

cK

V sa

ind

T

⋅+−⋅

⋅=

τω 1

Podemos notar que la velocidad del motor varia con el inverso de la raíz

cuadrada del par y esta característica se muestra en la figura 5.4.2.

De la ecuación de velocidad podemos notar una desventaja de los motores serie.

Cuando el par de este motor tiende a cero, su velocidad tiende a infinito. En la

práctica el par nunca puede llegar a cero debido a que es necesario contrarrestar

las perdidas mecánicas del motor. Sin embargo, si no se conecta otra carga al

motor, este puede girar con demasiada rapidez y producir un daño severo al

mismo.


68

Fig. 5.4.2

τind

ω

ωf1

τf1


69


UNIDAD DE GENEUNIDAD DE GENEUNIDAD DE GENEUNIDAD DE GENERACIONRACIONRACIONRACION

La unidad generadora controla el conjunto Moto-Generador para desarrollar una

tensión de 600 Vac constantes. La salida de todos los generadores se conectan a

una barra de distribución común a través de interruptores magnéticos. Estos

interruptores están interconectados con los circuitos de protección, que sacan de

servicio al generador en caso de fallas tales como, falta de pick-up, sobre

tensión, sobre frecuencia, baja frecuencia y potencia inversa, para esto utilizan la

bobina de retención que poseen internamente. Además posee un panel de

sincronismo para colocar los distintos generadores en paralelo.

Cada modulo de control de alterna tiene un regulador de velocidad, un regulador

de tensión, un circuito de protección y un circuito Maestro-Esclavo.


70

6.1. Cargador de Baterías Este circuito consiste en un cargador de baterías conectado a dos baterías de 12

voltios. Las fases A y B de la barra de distribución son reducidas a través del

transformador T4 y aplicadas a un puente rectificador para obtener la corriente

de carga de las baterías. Las baterías son la fuente de energía para la electrónica

del circuito de pick up y de actuador en el arranque del motor.

6.2. Panel de Sincronismo Este circuito permite comparar la frecuencia y la tensión de salida del generador

que se quiere colocar en línea con la frecuencia y la tensión de la barra de de

distribución. Las fases A del generador y de la barra de distribución se conectan

al relé de sincronismo (Very Sinc). El Very Sinc Relé energiza una bobina

interna cerrando un contacto normal abierto, que esta conectado en serie con la

bobina de disparo de la llave termo magnética del generador, cada vez que las

tensiones están en fase. De esta manera solo permite que la llave magnética del

generador sea cerrada cuando las tensiones del generador y la barra de

distribución estén en fase.

El problema que tiene este circuito es que cuando se quiere colocar el primer

generador en línea no hay tensión de barra, por lo tanto el relé de sincronismo

nunca se energiza y no deja que se dispare el interruptor principal del generador.

Para solucionar este problema se utiliza el relé de Barra Muerta. De este se

utiliza un contacto normal cerrado colocado en paralelo con el contacto normal

abierto del Very Sinc relé. Este relé de barra muerta, cuando hay tensión en la

barra de distribución, se energiza y abre su contacto normal cerrado permitiendo

que el Very Sinc relé realice el control de sincronismo.


71

6.3. Regulador de Velocidad El circuito regulador de velocidad controla la velocidad del motor (Frecuencia)

y la potencia (KW) entregada. La salida de este circuito se conecta al actuador

que controla la cantidad de combustible que se entrega al motor. El actuador

abre la válvula de pasaje de gas oil al motor en una proporción directa a la

cantidad de corriente suministrada a sus bobinas. Esta corriente se puede medir

en los terminales 533 (+) y 545 (-) del módulo de alterna.

En la figura 6.3.1 puede verse que el circuito de control de velocidad emplea dos

lazos de realimentación. Un lazo de realimentación externo, que iguala la

frecuencia de salida del generador con la referencia de velocidad seteada por el

operario mediante el potenciómetro de velocidad y otro lazo de realimentación

interno que iguala la potencia de salida de todos los motores en línea.

La señal de referencia de velocidad es una tensión variable de 0 a +11 Vdc,

correspondiente a una frecuencia de 54 Hz para 0 Vdc y 64 Hz para +11 Vdc,

pudiendo medirse en el Terminal 547 del módulo de alterna.

En la figura 6.3.2 se puede ver el lazo de control de velocidad.

En este, el amplificador operacional Z8 emite una señal de velocidad que es

proporcional a la diferencia entre la referencia de velocidad de ese motor y la

retroalimentación de velocidad de este. Esta señal se envía a la lógica de


72

Maestro-Esclavo. El diagrama de bloque del circuito Maestro-Esclavo puede

verse en la figura 6.3.3.

La tensión correspondiente a la realimentación de velocidad puede medirse en el

TP 19 del módulo de alterna, donde para una frecuencia de 60 Hz el valor de

tensión será de -2.5 Vdc y de +5 Vdc para una frecuencia de 40 Hz,

correspondiente a la frecuencia de IDLE.

Esta tensión de realimentación proviene de dos posibles circuitos independientes

uno del otro. Un circuito de Pick Up y un circuito Demodulador de Frecuencia.

En el primero, para obtener una tensión de referencia de velocidad se utiliza un

pick up magnético colocado cerca de la corona dentada del motor, este genera

una tensión alterna con una frecuencia que depende del número de dientes de la

corona y de la velocidad del motor. Esta señal es conectada al módulo de alterna

a través de los pines 526 y 527 y debe ser superior a los 5 Vac.

En el segundo, se utiliza un demodulador de frecuencia, donde las tensiones de

línea del generador son procesadas a través de un circuito demodulador dando a

su salida una tensión continua negativa como realimentación de velocidad.

Además el módulo de alterna tiene un circuito que conmuta de la señal de

referencia de pick up a la señal de referencia del demodulador cuando la tensión

del generador es mayor a 200 Vac.

La lógica de Maestro-Esclavo será la encargada de decidir que señal de

velocidad se enviara al amplificador operacional Z9. Si el módulo de alterna es

el maestro, la señal que recibirá Z9 será la salida de del amplificador Z8 de ese

mismo módulo. Sin embargo si el módulo de alterna es esclavo la señal que

recibirá el amplificador Z9 será la salida del amplificador Z8 del módulo

Maestro. El operacional Z9 emite una señal de corriente de actuador que es

proporcional al error entre la señal de velocidad que sale de la lógica de

Maestro-Esclavo y la realimentación local de corriente real Ireal (KW). La salida

de Z9 es amplificada a través del transistor Q4 y luego es aplicada a la bobina

del actuador.

La señal de realimentación de corriente es un valor de tensión continua

proporcional a la potencia que esta entregando el generador (KW). Los voltajes

de fase que salen del transformador T10 y las corrientes de línea que salen de los

transformadores de corriente CT1, CT2 y CT3 son procesados en el módulo de

alterna a través de un demodulador de corriente para producir la señal de Ireal.


73

Fig. 6.3.1

Fig. 6.3.2

Fig. 6.3.3

Frecuencia

Pick-Up


74

EN LINEA EN LINEA EN LINEA

Generador Numero 1

MAESTRO

544 = -16 Vdc

Generador Numero 2

ESCLAVO

544 = -16 Vdc

542 = -16 Vdc

Generador Numero 3

ESCLAVO

544 = -16 Vdc

542 = -16 Vdc

Generador Numero 2

MAESTRO

544 = -16 Vdc

Generador Numero 3

ESCLAVO

544 = -16 Vdc

541 = -16 Vdc

Generador Numero 3

MAESTRO

544 = -16 Vdc

6.4. Regulador de Tensión Este circuito controla la corriente de excitación del generador a través de la

placa reguladora de tensión PC11, de esta manera regula la tensión de salida del

generador.

En la figura 6.4.1 puede verse que el circuito regulador de tensión emplea dos

lazos de realimentación de control. Un lazo de realimentación externo, que

iguala la tensión de salida del generador con la tensión de referencia seteada por

el operario mediante el potenciómetro de tensión y otro lazo de realimentación

interno que regula la corriente de salida de la excitatriz.

Fig. 6.4.1

En la figura 6.4.2 puede verse que el amplificador operacional Z1 emite una

señal de corriente de excitación que es proporcional a la diferencia entre la

tensión de referencia seteada por el operario y las señales de retroalimentación

de baja frecuencia, tensión y corriente reactiva Ireactiva del generador.

La señal de referencia de tensión es una tensión variable de 0 a +11 Vdc, donde

+11 Vdc corresponde al valor máximo de tensión, pudiendo medirse en el

terminal 551 del módulo de alterna.


75

La retroalimentación de voltaje es un valor analógico de corriente continua

proporcional a la tensión de salida del generador. Para producir este valor de

tensión de realimentación se utiliza el transformador hexafásico de control T10

(600/115). Este transformador tiene una configuración triangulo-estrella donde

las seis tensiones de fase del secundario son rectificadas y reducidas a un valor

bajo de tensión continua.

La señal de realimentación de corriente es un valor de tensión continua

proporcional a la corriente reactiva que esta entregando el generador (Ireactiva).

Los voltajes de fase que salen del transformador T10 y las corrientes de línea

que salen de los transformadores de corriente CT1, CT2 y CT3 son procesados

en el módulo de alterna a través de un demodulador de corriente para producir la

señal de Ireact. Esta señal, en el arranque del generador, es insignificante ya que la

llave magnética esta abierta. Por lo tanto la única señal efectiva es la de

referencia y esta puede ser ajustada hasta obtener la tensión deseada a la salida

del generador. Cuando este generador es colocado en línea con otros

generadores se debe ajustar la tensión para igualar las señales de corriente

reactiva a todos los módulos y de esta manera lograr que todos entreguen la

misma cantidad de KVAR.

La señal de retroalimentación de baja frecuencia hace que baje el voltaje de

salida del generador cuando la frecuencia de salida cae por debajo de 56 Hz.

Para una velocidad igual a IDLE, la frecuencia esta alrededor de 42 Hz y el

voltaje del generador se reduce a un valor comprendido entre 300 y 400 Vac.

En el lazo de realimentación de corriente puede verse que el amplificador

operacional Z2 recibe una señal de realimentación positiva, este es un valor de

tensión positiva proporcional a la corriente que circula por la excitatriz. Este

valor es de 0.33 Vdc por cada ampere de corriente.

El amplificador Z2 controla el ángulo de disparo de los tiristores, de esta manera

se varia la tensión de excitación y con ello la corriente de excitación.

Fig. 6.4.2

En la figura 6.4.3 puede verse el circuito de la placa reguladora de tensión PC11.

La alimentación de esta placa se obtiene a través del transformador monofásico

T8 (600/110). Durante el arranque, la tensión remante del generador es

rectificada a través de un puente rectificador monofásico de onda completa

compuesto por los rectificadores DB1 (+) y DB2 (-) y es aplicada directamente a

Circuito de

Disparo


76

la excitatriz, esto causa que la tensión del generador aumente, aumentando la

tensión de entrada al puente. Este aumento de tensión en la entrada del puente

causa que aumente también la tensión aplicada a la excitatriz, aumentando aun

más la salida del generador. Este proceso regenerativo continua hasta que la

tensión de salida del puente rectificador es suficiente para energizar el relé K1.

Al energizarse K1, sus contactos auxiliares se abren y la tensión de excitación ya

no es controlada por DB1, sino que es controlada por el módulo de alterna a

través del puente rectificador monofásico semi controlado, compuesto por los

tiristores SCR1 y SCR2 y los rectificadores DB2.

Para controlar la tensión aplicada a la excitatriz, el módulo de alterna controla el

ángulo de disparo de los tiristores variando de esta manera el valor medio de

tensión. La salida del regulador de tensión puede medirse en los terminales 1 (+) y 10 (-)

de la placa PC11. Esta tensión debe ser mayor a 10 Vdc en IDLE y menor a 50 o

100 Vdc en RUN, dependiendo del conexionado de la excitatriz. Si la excitatriz

esta conectada en serie, la placa de excitación deberá estar alimentada con una

tensión de 220 Vac a través del transformador T8. Si la excitatriz esta conectada

en paralelo, la placa de excitación deberá estar alimentada con una tensión de

115 Vac. también debe observarse la conexión de las resistencias R1 y R2. Si la

alimentación es de 110 Vac, deberá estar conectada solo la resistencia R1 y si la

tensión de alimentación es 220 Vac, las resistencias deberán estar conectadas en

serie.

Fig. 6.4.3


77

6.5. Circuitos de Protección La figura 6.5.1 muestra un diagrama en bloques del circuito de protección. Este

circuito compara los valores actuales del generador con los valores límites

preseteados. Consiste en un switch electrónico controlado por la potencia

inversa, baja o alta frecuencia y sobre tensión. El switch electrónico esta

compuesto por el transistor Q3 y el relé K2, este switch lo que hace es

desenergizar la bobina de baja tensión (UV) de la llave magnética del generador

provocando la apertura de la misma.

• Detector de Potencia Inversa: Cuando un motor esta funcionando

normalmente, suministra potencia a las barras, entonces el medidor de

KW del panel de instrumentos indicara un valor positivo. Sin embargo

cuando el suministro de combustible al motor se interrumpe debido a

sobre temperaturas, baja presión de aceite o filtros de combustible

tapados, el medidor de Kw indicara una lectura negativa. Esto se debe a

que fluye corriente desde las barras hacia el generador defectuoso y el

generador funciona como un motor sincrónico lo cual mantiene al motor

defectuoso funcionando.

• Detector de Sobre Frecuencia: El comparador Z14 activa el switch

electrónico si la retroalimentación de frecuencia indica que la frecuencia

es de 67 Hz.

• Baja Frecuencia: El comparador Z6 activa el switch electrónico si la

retroalimentación de frecuencia indica que la frecuencia es inferior a 56

Hz. Z6 además manda una señal de reducción de baja frecuencia al

circuito regulador de tensión para reducir la tensión del generador.

• Detector de Sobre tensión: Un divisor resistivo conformado por R90 y

R96, esta alimentado por una tensión que depende de la tensión de la

barra, la salida del divisor resistivo se aplica al transistor Q6 produciendo

la conducción del mismo si la tensión de la línea excede 1.3 veces la

tensión normal de barra.

• Detector de Falta de Pick Up: La ausencia de pulsos de pick up cambiara la tensión aplicada al cátodo del diodo D169 de +16 Vcc a -16

Vcc, activando el switch electrónico.


78

Fig. 6.5.1


79

CAPÍTULOCAPÍTULOCAPÍTULOCAPÍTULO 7777

UNIDAD DE CONTINUAUNIDAD DE CONTINUAUNIDAD DE CONTINUAUNIDAD DE CONTINUA

La unidad de continua, o de SCR, rectifica las tres fases de alterna de la barra de

distribución para proporcionar la potencia de continua a los motores de las

bombas, cuadro y mesa rotary. El puente rectificador esta aislado de la barra de

distribución a través de una llave magnética. La salida del puente rectificador es

asignada a uno de los motores de continua a través de contactores de asignación.

Estos contactores son cerrados de a pares, uno para la salida positiva y otro para

la salida negativa.

La lógica de los contactores y el valor de voltaje del puente son controlados por

el maquinista a través de la consola de perforación.

Todas las unidades de SCR son iguales, por lo tanto, si una unidad no funciona

puede seleccionarse otra para suministrar potencia a los motores de continua. De

igual manera los módulos electrónicos de continua y las celdas de tiristores de

los puentes rectificadores son intercambiables.

Los circuitos de una unidad de SCR están compuestos por:

• Puente Rectificador Trifásico

• Circuito Supresor de Picos (Surge Supresor)

• Lógica de Control de los Contactores

• Circuito Sprocket Slip

• Módulo de Control de Continua (DC Module)

7.1. Puente Rectificador Trifásico Las tres fases de la barra de distribución son aplicadas al puente rectificador a

través de una llave magnética. Cada fase de alterna se conecta a un par de

tiristores. Uno de estos tiristores alimentara la barra Positiva de Continua y el

otro alimentara la barra Negativa de Continua.

Las barras positivas y negativas de continua se conectan a los motores a través

de contactores de asignación. Para variar la tensión de salida del puente, los

tiristores se prenden y apagan aplicando los pulsos de disparo adecuados a los

terminales Gate y Cátodo de cada uno de los tiristores. Los pulsos de disparo se

generan en el Módulo de Continua.


80

La llave magnética tiene en su interior una bobina alimentada con un voltaje de

28 Vdc. Esta bobina hace que la llave se abra automáticamente si se queda sin el

voltaje de alimentación.

El terminal positivo de la bobina está conectado permanentemente a +14 Vdc y el

terminal negativo está conectado a -14 Vdc a través de varios contactos normal

cerrados que indican las siguientes condiciones peligrosas:

• Sobre temperatura del Puente rectificador: Montados sobre cada

columna de disipadores (positiva y negativa), hay conectados dos

sensores que se abren cuando la temperatura del disipador es

superior a 91ºC.

• Fusible Quemado: Los fusibles tienen unos switches indicadores que se abren cuando el fusible se quema.

• Parada de Emergencia: La bobina de bajo voltaje también esta

conectada en serie con un contacto normal cerrado del pulsador de

pare de emergencia de la consola de perforación.

Para sensar la cantidad de corriente que esta circulando por el puente

rectificador se utilizan transformadores de corriente (CT1, CT2 y CT3). En la

placa PC1, las señales de los transformadores de corriente son rectificadas en un

puente trifásico y su valor medio de salida es dividido en dos por un circuito de

resistencias. Una de estas señales es utilizada para alimentar el Amperímetro de

Continua en el panel frontal y la otra señal se envía al Módulo de Control de

Continua para ser utilizada como realimentación de corriente. Esta señal de

realimentación de corriente es de 2.66 Vdc por cada 1000 Amp. en el puente

rectificador controlado.

Al módulo además se envía una realimentación del valor de tensión de salida del

puente rectificador controlado. Para esto las salidas +Vdc y –Vdc son reducidas

en una relación de 16:1, a través de resistencias en la placa PC2, y divididas en

dos. Una de estas señales se utiliza para alimentar el Voltímetro de Continua en

el panel frontal y la otra señal se envía al Módulo de Control de Continua como

realimentación de tensión. Esta señal de realimentación de tensión es de 46.8 Vdc

para una tensión en el puente rectificador controlado de 750 Vdc.

En la placa PC1 se generan los +60 Vdc y los -14 Vdc necesarios para alimentar a

los contactores de asignación de los motores de continua.

7.2. Circuito Supresor de Picos

El Circuito Supresor de Picos puede verse en la figura 7.2.1 Este es una red

Resistiva y Capacitiva (RC) que filtra los picos transitorios de tensión en la

barra de distribución. La desconexión de este circuito no saca de servicio al

sistema, pero la ausencia de este aumenta las probabilidades de daño a los

tiristores.


81

Las tres fases de la barra de distribución son rectificadas a través de un puente

trifásico con diodos, protegidos por tres fusibles F1, F2 y F3. La tensión

continua de salida de este puente carga un banco de capacitores con 1000 Vdc,

estando limitada la corriente de carga por una resistencia R1 de 25Ω/225W a tan

solo 35 amp. Aproximadamente a los 30 mS (mili segundos) de aplicada la

tensión a la barra de distribución, el relé K1 se energiza, cierra sus contactos NA

y cortocircuita a la resistencia R1.

Por lo tanto el exceso de carga provocado por una sobre tensión es absorbido por

el banco de resistencias formado por R15, R16 y R17. Estas resistencias además

proporcionan el camino de la corriente para la descarga de los capacitores una

vez que se saca la tensión de la barra de distribución.

En el panel frontal hay una luz que esta permanentemente encendida y se apaga

si alguno de los fusibles de su circuito por algún motivo se abre.

F1

F2

F3

Fase B

Fase C

Fase A

D1 D2 D3

D4 D5 D6

C

K1

K1

K1

R1

25ohm/225W

C110uF

C210uF

R8100kΩ

R9100kΩ

C3

R10100kΩ

R11100kΩ

C4

R12100kΩ

R13100kΩ

C5

R15309Ω

R16309Ω

R17309Ω

Fig. 7.2.1

7.3. Lógica de Control de los Contactores La lógica de asignación de los contactores se selecciona en la consola de

perforación a través de la llave de asignación S1. Para motores de un solo

sentido de giro se utilizan contactores de un solo polo. Para motores de doble

sentido de giro se coloca, en serie con los contactores de un solo polo, un

contactor de doble polaridad que invierte la conexión de los cables conectados a

la armadura del motor. De esta manera se invierte el sentido de giro del motor.

Las bobinas de los contactores de asignación necesitan para energizarse una

tensión continua de 74 Vdc. Para lograr esta tensión en la bobina del contactor, al

terminal positivo se lo conecta permanentemente a una tensión de +60 Vdc y al

terminal negativo se lo conecta a -14 Vdc atravesando toda una lógica de

contactos auxiliares NC y NA conectados en serie. Estos contactos NA y NC

aseguran que todas las condiciones sean las adecuadas para aplicar la tensión de

salida del puente rectificador a los motores de continua asignados.


82

Si por alguna razón alguno de los contactos auxiliares de la lógica de asignación

se abre, los contactores de asignación se desenergizan y el motor de continua se

queda sin alimentación.

7.4. Circuito Sprocket Slip Este circuito proporciona una protección de sobre velocidad para dos motores serie que están conectados en paralelo desde un mismo SCR.

Si alguno de los dos motores excede el límite preestablecido de velocidad,

debido a un mal funcionamiento en la cadena o en la correa, el circuito deja sin

alimentación a los dos motores desactivando los contactos de asignación y

prendiendo la luz de Sprocket Slip.

La protección para motores Shunt se realiza a través de un relé de perdida de

campo. Este relé monitorea permanentemente la corriente de campo de ambos

motores y desactiva los contactores de asignación si esta corriente es menor al

50% del valor normal de funcionamiento.

La protección de sobre velocidad para motores serie la realiza normalmente el

Módulo de Control de Continua a través de un circuito interno de sobre

velocidad que calcula la velocidad como el cociente entre la tensión aplicada a

la armadura del motor y la corriente de esta.

Matemáticamente esto es:

I

VN = (7.4.1)

Donde: N = velocidad

Este circuito trabaja con todas las configuraciones de motores serie excepto

cuando dos motores son alimentados en paralelo desde un mismo SCR.

Esto puede explicarse observando la figura 7.4.1 Supongamos que la cadena de

MP1A se rompe, esto causaría una sobre velocidad del motor A, debido a que

tiene una tensión alta y muy poca corriente. Por otro lado, la fuerza que estaba

haciendo el motor A, hasta el momento de romperse la cadena, la tendrá que

hacer el motor B, o lo que es lo mismo, la corriente que estaba consumiendo el

motor A la tendrá que absorber el motor B, quedando la corriente total del

puente en la misma cantidad que antes de romperse la cadena.

Como el circuito de sobre velocidad utiliza para el cálculo de la velocidad la

realimentación de corriente total del puente, no detectaría nunca la falla en el

motor A.


83

Fig. 7.4.1

Para solucionar este problema es que se utiliza el circuito Sprocket Slip. Este

circuito mide la corriente de cada motor utilizando dos sensores de efecto Hall

(HED), y las compara con la tensión del puente para detectar una sobre

velocidad.

Los HED se colocan como se muestra en la figura 7.4.2.

Fig. 7.4.2

La figura 7.4.3 muestra el circuito electrónico de la placa de Sprocket Slip.


84

Fig. 7.4.3

Las tensiones provenientes del HED1 y el HED2 se aplican a las entradas de los

amplificadores operacionales Z1 y Z2. Las salidas de estos amplificadores

operacionales se conectan a los cátodos de los diodos D1 y D10. Los ánodos de

estos diodos se unen para formar un switch que compara las tensiones de salida

de Z1 y Z2 y deja pasar a la menor de estas a la siguiente etapa.

Interesa dejar pasar a la menor tensión porque esta representa a la menor

corriente y si recordamos que la velocidad del motor puede estimarse según la

ecuación (7.4.1), como los dos motores tienen la misma tensión de armadura, el

que tenga la menor corriente será el que tenga la mayor velocidad.

En la siguiente etapa, a la menor de las dos tensiones se le suma una tensión

proporcional a la tensión de armadura y a esta suma se la amplifica con el

amplificador operacional Z4.

La salida del amplificador Z4 dependerá de la polaridad de la suma. Si la suma

da como resultado un valor positivo, entonces la salida de Z4 será negativa, el


85

transistor Q1 estará encendido y el relé K1 estará activado por lo que no hay

condición de Sprocket Slip. Si en cambio la polaridad es negativa, la salida de

Z4 será positiva, el transistor Q1 se apaga, entonces el relé K1 se desenergiza

dando una condición de Sprocket Slip.

Como los contactos auxiliares normales abiertos del relé K1 están conectados en

serie con la lógica de asignación de los contactores, ante una condición de

Sprocket Slip, las bobinas de los contactores de asignación se quedan sin

alimentación. Esto causa la apertura de los contactores, dejando sin tensión de

alimentación a los motores de continua.

El contacto normal cerrado de K1 se cierra y se enciende la luz indicadora de

Sprocket Slip. Presionando el botón de reset la luz se apaga y se vuelve a

energizar K1.

7.5. Módulo de Control de Continua El módulo de control de continua contiene los circuitos electrónicos para

controlar a la Unidad de SCR.

Los circuitos internos del módulo pueden dividirse en tres grupos:

1. Regulador de Continua 2. Circuitos de Disparo de los SCR 3. Control del Freno Dinámico; (Este se explica en detalle en Cap.11)

7.5.1 Regulador de Continua: En la figura 7.5.1.1 puede verse el diagrama esquemático del regulador de

continua. Este circuito es un circuito realimentado que iguala automáticamente

la velocidad y el torque del motor, con la señal de control proveniente del

acelerador de la consola de perforación.

La salida del regulador de continua es la llamada Tensión de Referencia de

Disparo (TP7) y se envía a los circuitos de disparo para controlar el ángulo de

disparo de los tiristores.

Las entradas a este circuito regulador son principalmente la Referencia de Velocidad, la Realimentación de Velocidad y la Realimentación de Corriente. El regulador está constituido por dos lazos de realimentación, uno

externo llamado Lazo de Voltaje, que regula la velocidad y uno interno llamado Lazo de Corriente, que regula el torque del motor.

En la figura 7.5.1.1 puede verse que la señal de referencia de velocidad

proveniente de la consola de perforación solo entra al circuito de control si el

switch de habilitación esta activado. Esto se logra colocando una tensión de -14

Vdc en las líneas DW Cont., RT Cont., MP1 Cont. y Mp2 Cont., dependiendo de

la función que se le asigne al SCR.


86

Una vez activado el switch, la tensión de referencia de velocidad se suma con la

realimentación de velocidad (.5V/100Rpm), dando una señal de comando de

corriente. Esta señal de comando de corriente es comparada con los límites de

corriente preseteados para cada función. Si la referencia de corriente es menor a

este límite, pasa a la siguiente etapa, de lo contrario, si es mayor al límite, la

señal que pasa a la siguiente etapa es la correspondiente al límite de corriente

preseteado.

Esta señal, luego de ser comparada, es amplificada en el Operacional Z7 y se la

suma con el valor de realimentación de corriente (2.66V/1000A). Esta suma es

amplificada en el Operacional Z8 para dar en TP7, la tensión de referencia de

disparo que utilizaran los circuitos de disparo para calcular el ángulo con que se

deben disparar los tiristores.

Fig. 7.5.1.1 En la figura 7.5.1.2 podemos notar que el valor de la señal de realimentación de

velocidad varia dependiendo si el motor es Shunt o Serie.

En el caso de los motores Shunt, la referencia de velocidad es simplemente la

señal de realimentación de tensión. Esto se debe a que la velocidad de estos

motores es directamente proporcional a la tensión aplicada en su armadura.

Para calcular la velocidad de los motores Serie, recordando la formula 7.1,

debemos realizar el cociente entre la tensión y la corriente de armadura. Para

realizar esta operación se utiliza el amplificador Z703. A este se ingresan la

realimentación de corriente y la realimentación de tensión y da a su salida un

valor proporcional a la velocidad del motor.

Fig. 7.5.1.2


87

7.5.2 Circuitos de Disparo de los SCR Estos circuitos generan los pulsos de disparo de los tiristores del puente

rectificador trifásico.

Hay seis circuitos de disparo idénticos, uno para cada tiristor del puente. La

forma de onda del pulso de disparo esta compuesta por dos pulsos negativos, un

pulso maestro seguido de un pulso de respaldo. El pulso de respaldo es necesario

para re disparar a los tiristores cuando se trabaja con tensiones de salida del

puente bajas. En estas condiciones la conducción de los tiristores es discontinua.

La diferencia de tiempo entre el pulso maestro y el pulso de respaldo es

constante.

El pulso maestro se sincroniza con una de las tensiones de salida del

transformador hexafásico T4 y la señal de referencia de disparo. Este

transformador hexafásico esta conectado a la barra de distribución y tiene una

relación de 600:12.

El pulso de respaldo se sincroniza con uno de los pulsos maestros de los

restantes circuitos.


88


CIRCUITO DE CIRCUITO DE CIRCUITO DE CIRCUITO DE LÍMITELÍMITELÍMITELÍMITE DE POTENCIA DE POTENCIA DE POTENCIA DE POTENCIA

El circuito esquemático de límite de potencia puede verse en la figura 8.1. Este

circuito protege a los grupos Moto-Generadores en línea para que no entreguen

potencia a la carga mas allá de su capacidad.

El circuito monitorea la corriente real (Ireal = Kw) y la corriente total (Itotal = Kva)

de todos los generadores para evitar que los SCR que se encuentran en línea

demanden una cantidad de kilovatios ó kilovares mayor a la capacidad de los

grupos moto-generadores.

Los límites de potencia normalmente se setean al 80% de la capacidad de

kilovatios del motor y al 100% de la capacidad del generador.

En la figura 8.2 puede verse que las señales de Ireal, que se generan en cada

módulo de control de alterna, se unen y se conectan en la placa de límite de

potencia en el terminal 11 y las señales de Itotal se unen y conectan al terminal

10. Esta conexión permite que la placa de límite de potencia solo vea la señal de

Ireal e Itotal con el mayor valor positivo de tensión, esto equivale a decir que solo

ve la señal del motor con mayor carga.

La salida de la placa de límite de potencia es a través del pin 12 y es una señal

analógica de corriente continua negativa que se hace positiva a medida que se

incrementa la carga del grupo moto-generador. Esta salida se conecta en todos

los módulos de control de continua.

Las señales Ireal e Itotal, una vez que ingresan a la placa de límite de potencia, son

comparadas con los límites preseteados a través de los amplificadores Z3 y Z5.

Si alguna de las dos señales de entrada supera a este límite, la salida de la placa

(Pin 12) pasa de negativo a positivo y produce que todos los SCR conectados en

línea retrasen su ángulo de disparo, disminuyendo su demanda de potencia en el

mismo porcentaje. Debido a que los SCR están trabajando con distintas

corrientes los efectos en cada uno no son iguales, el retraso del ángulo de

disparo afectara en mayor proporción a aquel SCR que tenga la mayor carga.

Generalmente afecta mas a los SCR conectados a las bombas de lodo.

El circuito de límite de potencia cuenta además con una rampa de potencia. Esta

rampa manda al sistema a límite de potencia cuando la carga crece rápidamente

a un valor aproximado del 75% del límite de potencia. Cuando el amplificador

operacional Z1 detecta que la potencia creció rápidamente y alcanzo el 75% de

la potencia del sistema, manda la señal de límite de potencia a los SCR y activa

una rampa de retardo para liberar al sistema nuevamente al cabo de unos

segundos. La rampa se realiza a través del amplificador operacional Z2.


89

Esta situación se da cuando el maquinista aplica señal de aceleración máxima a

los motores para subir el aparejo al piso de enganche. La rampa lo que hace es

congelar la carga al 75% del límite de potencia por unos segundos de manera de

darle tiempo a los turbos para responder a la demanda.

En esta condición de límite de potencia prematuro, la luz de límite de potencia

se encenderá. Esta condición no indica que estemos en límite de potencia.

La luz de límite de potencia no indica límite de potencia, solo sirve para indicar

que nos estamos acercando a este. El maquinista puede identificar rápidamente

si estamos en el límite de potencia cuando aumenta los aceleradores y no se

produce un aumento de las emboladas de las bombas o en las vueltas de la mesa.

En otras palabras, un aumento en los aceleradores no causará un aumento en la

potencia entregada por el grupo Moto-Generador.

Por lo tanto si la luz de límite de potencia esta encendida y las condiciones de

perforación son satisfactorias, no es necesario colocar otro generador. Es mejor

hacer trabajar los motores cerca de su máxima potencia en todo momento.

Que la luz de límite de potencia esté encendida no es perjudicial para los

motores. Si estando con la luz encendida y el maquinista necesita mas potencia,

entonces sí tendremos que colocar otro generador en línea.

Otra ventaja de trabajar los motores a máxima potencia es que de esa manera se

logra el menor consumo de gas oil.


90

Fig. 8.1


91

Fig. 8.2


92


UNIDAD DE SUMINISTRO DE CAMPOUNIDAD DE SUMINISTRO DE CAMPOUNIDAD DE SUMINISTRO DE CAMPOUNIDAD DE SUMINISTRO DE CAMPO

La unidad de suministro de campo se utiliza para proporcionar la corriente de

campo a los motores de continua tipo shunt. Esto se logra transformando la

tensión de dos de las fases de la barra de distribución a un valor seguro para

luego aplicarla a un puente rectificador de onda completa, obteniendo una

tensión de continua de 100 Vac y 50 Amp.

La unidad de suministro de campo se interrelaciona con la lógica de asignación

de los motores a través del relé de perdida de campo. Este relé no permite que se

asigne potencia a un motor si este no tiene la corriente de campo aplicada.

En la figura 9.1 se puede ver el diagrama esquemático para el suministro de

campo de la bomba numero 1. En este podemos observar que estando

alimentado el primario de T1 y la llave selectora S1 en la posición de manual, el

contactor MS1 se energiza. Al energizarse MS1 se cierran sus contactos

auxiliares, alimentando el primario del transformador de suministro de campo.

El secundario de este se conecta a un puente rectificador de onda completa. En

la salida de continua de este puente se conecta el bobinado de campo del motor

de continua de la bomba MP1.

La corriente de campo suministrada al motor es permanentemente monitoreada

por el transformador de corriente CT1, con una relación de 50:1. De esta

manera, cuando circule corriente a través del CT1, se generara una tensión a

bornes de la resistencia de carga R1 que hará que se energice el relé RL1

llamado relé de perdida de campo. Al energizarse RL1, cierra el contacto

auxiliar que esta conectado en serie con el relé RL2, energizándolo. Un contacto

auxiliar de RL2 se conecta en serie con la lógica de asignación de la bomba, de

esta manera si el relé RL1 se desenergiza, los contactores de asignación también

lo harán evitando que se rompa el motor por sobre velocidad.

Si en vez de colocar el S1 en posición manual se lo coloca en automático el

proceso descrito es el mismo, con la diferencia que el contactor MS1 no se

energizara hasta que el blower de la bomba MP1 no se encienda.

En la figura 9.2 se puede ver el diagrama esquemático para el suministro de

campo de los motores del cuadro de maniobras DWA y DWB.

El funcionamiento de este circuito es similar al de la bomba anteriormente

descrito. La diferencia esta en que el bobinado del campo de los dos motores

está conectado en serie al puente rectificador.


93

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Micro S

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T1 - R

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FIEL SUPPLY CUBICLE

MS3

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MCC

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DWB FIELDF1

F2

7 - 67 - 57 - 3 7 - 47 - 1 7 - 2

DWB

LOCKOUT

RL1

F5

F6

600:115

Micro Switch

OL

OL600:190


95


CONSOLA DE PERFORACIONCONSOLA DE PERFORACIONCONSOLA DE PERFORACIONCONSOLA DE PERFORACION

La consola de perforación es la unidad de control primaria para todas las

funciones de continua del equipo de perforación. Esta instalada en el piso de

perforación junto al cuadro de maniobras y tiene en su panel frontal un switch de

asignación. Este switch tiene varias posiciones, esto permite disponer de

distintas combinaciones de conexión entre los motores y los SCR. Además en el

panel frontal se encuentran los aceleradores de mano y los switchs de encendido

para las distintas funciones del equipo. Las luces en el panel frontal indican el

estado de encendido de los motores, las unidades de SCR y los auxiliares de

alterna tales como blowers, lubricadoras de cadena, etc.

Las posiciones del Switch de asignación están ordenadas como las horas de un

reloj, siendo la posición vertical (12 horas), la posición de apagado.

En cada posición del switch de asignación, el número de cada cuadrito indica la

unidad de SCR, debajo de este número se describe la función a la que es

asignado dicho SCR.

En condiciones de perforación, los motores del cuadro DWA y DWB se

conectan en serie a un solo SCR, esto proporciona máximo torque pero solo la

mitad de la velocidad posible. En condiciones de maniobra los motores se

conectan a distintos SCR, proporcionando máxima velocidad.

La consola de perforación dispone de un acelerador de pie para facilitar la tarea

del maquinista en las maniobras. El acelerador de pie no funciona hasta que el

acelerador de mano es girado en sentido horario y activa un micro switch unido

al eje de este.

El amperímetro que se encuentra colocado en el panel frontal es un indicador del

consumo de corriente del motor que acciona la mesa rotary. Este es un indicador

del torque desarrollado por el motor. Para regular el máximo torque que puede

realizar el motor se utiliza un potenciómetro ubicado en el panel frontal de la

consola. Girando este potenciómetro en sentido horario se incrementa el límite

de torque del motor.

El indicador de límite de potencia nos da una idea de que porcentaje, de la

potencia total disponible en la barra de distribución, esta siendo utilizado.

Cuando este porcentaje de límite de potencia alcanza aproximadamente un 90%,

se enciende la luz indicadora de límite de potencia.

Para casos de emergencia la consola dispone de un pulsador de pare de

emergencia que desconecta la potencia de continua a todos los motores.


96


FRENADO DINAMICOFRENADO DINAMICOFRENADO DINAMICOFRENADO DINAMICO

El freno dinámico, después que se libera el acelerador de pie, disminuye la

velocidad de los motores del cuadro de maniobras a la velocidad seteada por el

maquinista en el acelerador de mano. El frenado se produce automáticamente 3

segundos después que el maquinista suelta el acelerador de pie. Típicamente los

motores tardan 40 segundos en pasar de máxima velocidad a la velocidad del

acelerador de mano, pero con el freno dinámico solo tara 15 segundos.

El principio de funcionamiento del frenado dinámico consiste en hacer trabajar

al motor de continua como un generador y disipar la energía generada en un

banco de resistencias. Este proceso de hacer trabajar al motor de continua como

un generador depende si se trabaja con motores serie o con motores shunt.

A continuación vamos a analizar los dos casos.

11.1. Motores Serie

Los motores serie solo pueden trabajar como generadores si se le aplica una

corriente de excitación a su bobinado de campo.

Para analizar como trabaja el freno dinámico con motores serie observemos el

circuito electrónico de la figura 11.1.1

Del circuito podemos notar que el banco de resistencias estará conectado a los

terminales de la armadura del motor solo cuando ambos contactores de potencia

K1 y K2 estén cerrados. Estos contactores de potencia son exclusivos del freno

dinámico y no deben confundirse con los contactores de asignación.

Mientras el switch de temperatura de las resistencias (OT1) permanezca cerrado,

los 120 voltios de salida del transformador T1, mantendrán energizado al

contactor K2.

El contactor MS1 se energizara cuando RL5, que es un contacto auxiliar del

contactor del blower del cuadro, se cierre. Esto indica que se ha seleccionado el

cuadro de maniobras. Al cerrarse MS1, cierra sus contactos NA y permite la

alimentación del primario del transformador T2 con 600 Vac. La tensión aplicada

a las bobinas de campo es de aproximadamente 0.7 Vdc debido a las resistencias

conectadas en paralelo entre ellas y en serie con el primario de T2.

Cuando el cuadro de maniobras es asignado al SCR1, se energizaran los

contactores de asignación K4 y K3. Cuando el cuadro sea asignado al SCR2 se

energizaran los contactores de asignación K1 y K6.


97

EL contactor MS2 se energizara cuando el cuadro este asignado a alguno de los

SCR y el contacto auxiliar del relé K1, interno del módulo de continua que este

asignado al cuadro, se cierre.

El relé K1 y el relé K2, que también es interno del módulo, se energizan solo

cuando las siguientes condiciones se cumplen por completo:

• En el terminal 116 (DW CONT) del módulo de continua hay -14

Vdc, esto indica que el cuadro fue asignado en la consola de

perforación.

• La tensión en el terminal 114 (DW FT TH) cae a cero voltios,

indicando que el acelerador de pie fue liberado.

• El valor de tensión de referencia de disparo (TP7) es de -5Vdc,

indicando que no hay tensión aplicada al puente de continua.

Además en el circuito se agrega un retardo de 3 segundos para asegurarse que el

maquinista ha dejado de usar el acelerador de pie.

El relé K2 se energiza en el mismo momento que K1, e indica que el valor de

referencia de disparo es de -5 Vdc. La referencia de disparo se mantiene en este

valor hasta que termina el proceso de frenado para evitar que se aplique tensión

al puente de continua con las resistencias colocadas en paralelo a la armadura.

Cuando se energiza MS2, cierra sus contactos NA y cortocircuita a las

resistencias R1, R2 y R3 conectadas en el primario del transformador T2,

permitiendo que la corriente en el bobinado de campo suba hasta 200 amperes.

El contactor K1 y el relé RL6 se energizaran cuando el contacto auxiliar del relé

interno del módulo K2 en el módulo asignado se cierre. Al energizarse K1 y

RL6, el banco de resistencias de frenado se conecta a los terminales de la

armadura del motor.

Los relés K1 y K2 internos del módulo de continua se desenergizarán si alguna

de las tres condiciones no se cumplen. Normalmente el voltaje de referencia de

disparo se incrementa cuando la velocidad del motor cae por debajo de la

velocidad seteada en el acelerador de mano del cuadro.

11.2. Motores Shunt A diferencia de los motores serie, los motores shunt tienen separados el campo y

la armadura. En este caso, cuando el maquinista desencastra el cuadro de

maniobras, el motor queda girando sin carga a máxima velocidad y el motor se

comporta como un generador enviando potencia de vuelta a las barras. A este

fenómeno se lo llama regenerativo.

En estas condiciones el motor puede ser frenado disipando esta energía

regenerativa en un banco de resistencias.

Para analizar como trabaja el freno dinámico con motores shunt observemos el

circuito electrónico de la figura 11.2.1.


98

Para que los relés K1 y K2 del módulo de continua se energicen, se deben

cumplir las mismas condiciones que para el caso de motores serie.

Del circuito podemos notar que el banco de resistencias estará conectado a los

terminales de la armadura del motor solo cuando ambos contactores de potencia

K3 y K4 estén cerrados.

Mientras el switch de temperatura de las resistencias (OT1) permanezca cerrado,

los 120 voltios de salida del transformador T1, mantendrán energizado al

contactor K4 a través del contacto NC de K3.

Si el contactor K4 esta energizado, el cuadro de maniobras esta asignado a un

SCR y los relés internos K1 y K2 del módulo de continua se energizan, entonces

el contactor K3 y el relé RL1 se energizaran. Al energizarse K3, el banco de

resistencias queda conectado a los terminales de la armadura del motor y se

produce el frenado del mismo.


99

FIG

.: 11 - 1 - 1

K2

K1

DW

K2

K1

K1

RL6

O.T.1

OVER TEMP. S

WITCH

DW

DB

12VD

C K

UP

SCR1

MS

1

-BU

S

+B

US

T2

R1 - R

3: 2 k 225 W

FIE

LD -

FIE

LD +

SCR1

600 VA

C

SCR2

MS

1

MS

1M

S2

R1

R2

R3

K2

K1

MOTOR CONTROL CENTER

RL5

CP

TT

1

K2

MS

2

125 VD

CD

WD

BA

C1

BR

2K

2+-

-- +

+AC

2

AC

2

KU

P12 V

DC

++-

-

- +K1

RL6

DW

DB

125 VD

CB

R1

AC

1

K6

DW

B

SCR3

135

SCR1

DW

A/R

T

K1

DW

A/R

T

K6

SCR2

127

135

DW

A/R

T

DW

A/R

T

K3

K3

135

127138

DW

A/R

T

DW

A/R

T

K4

K6

DC MODULE

SCR2

SCR1

DC MODULE

DC MODULE

F25

F23

F24

AB

600 V120V

DR

AW

WO

RK

S D

YN

AM

IC B

RA

KE

SC

HE

MA

TIC

ROSS HILL CONTROLS

CORPORATION

CONTROLS

1530 W

EST BELT NORTH


THIS IS A PROPIETARY DISIGN OF ROSS HILL CONTROLS CORP. R

EPRO.


EXPRESSLY AUTHORIZED IN W

RITING BY ROSS HILL CONTROLS CORP.

HOUSTON TEXAS 77043


DIBUJÓ

: O. H

UBER

05 - 2006

PA

GE

22

ER

EV

.

DR

AW

ING

No.

F23

F23

600:6

DWDB

RESISTORS

Cur

Cur

Cur

Curso de SCR Ross

so de SCR Ross

so de SCR Ross

so de SCR Ross- ---Hill

Hill

Hill

Hill

100

FIG.: 11 - 2 - 1

SCR3 SCR3

ADD CONTACTOR AUX. CONTACT

DESCRIPTION

R E V I S I O N S

A

No.

DESIGNATIONS

DATE

9 - 81 FLS TS

BY

JOB No:

APPVD.

CHKD.DATE:DRAWN BY:

DRAWING No. REV.

A05 - 2006DIBUJÓ: O. HUBER


HOUSTON TEXAS 77043

EXPRESSLY AUTHORIZED IN WRITING BY ROSS HILL CONTROLS CORP.


THIS IS A PROPIETARY DISIGN OF ROSS HILL CONTROLS CORP. REPRO.


1530 WEST BELT NORTHCONTROLS

CORPORATION

ROSS HILL CONTROLS

SCALE:

SCR3

AC2

AC1

BR2

DRAWWORKS DYNAMIC BRAKE SCHEMATIC

AA

DWA

FFA

F

SCR3

21

21

K3

K4

RESISTORS

DWDB 2K5

FWD

6842

75

REV

1 3

AC2

AC1

BR1

GND. BUS

10-4

10-3

DWDB

OVER TEMP. SWITCH

O.T.1

X2

X1

H2

H1

KUP12 VDC

125 VDCDWDB

120V600V

B

A

F24

F23 F25

DWDBK4

DWA/RT

DWB

SCR1

SCR2

SCR3 DC MODULE

SCR2 DC MODULE

SCR1 DC MODULESCR1

SCR2

X4-16

4-16

4-16

X4-16

K4

K6

K6

K1

138

138

135

135

4-18

135K3 X4-18

4-18

X4-18

RL1

K3+

-

--

+ +

−

++

−

−

+

K4

RL1

K3

K2

K2


101

curso rosshill

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