Читать книгу: «Operatividad con sistemas mecánicos, hidráulicos, neumáticos y eléctricos de máquinas e instalaciones para la transformación de polímeros y su mantenimiento. QUIT0209», страница 3
Capítulo 2
Fundamentos de tecnología eléctrica en equipos e instalaciones para la transformación de polímeros
1. Introducción
Desde las primeras sociedades en la cultura clásica hasta la sociedad actual, el ser humano ha sido consciente de la presencia de los fenómenos electromagnéticos. Durante mucho tiempo, solo se estudiaron como si fueran un comportamiento curioso de la Naturaleza y de algunos de los materiales que en ella pueden encontrarse. Podría decirse que esto fue así hasta el siglo XIX, en el que científicos como Ohm, Joule, Edison, Tesla, Siemens o Faraday fueron capaces de establecer leyes que describieran el comportamiento de la electricidad o desarrollaran inventos que permitieran al hombre un aprovechamiento de la misma.
Como es evidente, el desarrollo de las formas de utilización de la electricidad no se ha detenido y cada día siguen apareciendo nuevos inventos y tecnologías que hacen dudar de la capacidad del ser humano para subsistir sin electricidad en el mundo actual.
En el presente capítulo, se desarrolla el estudio de los componentes eléctricos y cómo se pueden configurar diferentes tipos de circuitos eléctricos, así como la forma de realizar mediciones de los parámetros eléctricos más importantes y la metodología más adecuada para la detección de fallos en los sistemas eléctricos de máquinas e instalaciones.
2. Circuitos eléctricos
Desde el punto de vista del flujo de energía, se puede entender un circuito eléctrico como la trayectoria que recorren los electrones en su desplazamiento. Pero la carga eléctrica (electrones) no se mueven por sí solos, sino que necesitan la presencia de un generador eléctrico o fuente (batería, pila, alternador…) en el circuito para que este movimiento se produzca. Puede decirse que la fuente es el componente fundamental del circuito eléctrico. Aunque un circuito que solo disponga de un generador y carezca de un elemento receptor o consumidor, que convierta esta electricidad en trabajo útil, no tiene sentido. Los elementos receptores, como lámparas o motores, se asimilan a la hora de estudiar los circuitos a resistencias eléctricas, que serán descritas más adelante.
Definición
Circuito eléctrico Conjunto de componentes eléctricos (elementos físicos por cuyo interior puede fluir una carga eléctrica: interruptores, resistencias, condensadores, fuentes…) unidos de forma ordenada y presentando al menos una trayectoria cerrada de manera que pueda tener lugar un flujo de corriente eléctrica.
Actividades
1. Reflexione sobre la influencia de la energía eléctrica en la evolución de la Humanidad y en la dependencia que la sociedad actual tiene de este recurso.
De forma simplificada, puede hacerse una analogía entre un circuito hidráulico y uno eléctrico. Al abrir la llave de paso de un depósito elevado, la fuerza de la gravedad obligará al agua a descender a través de la tubería (conducto de ida), moviendo las aspas de una rueda hidráulica y produciendo así un trabajo útil (que corresponde al que realizaría el receptor en el circuito eléctrico).
Esto sucede porque existe una diferencia de altura entre los dos depósitos, lo que corresponde a la diferencia de potencial en el circuito eléctrico, que es creada por el generador.
Para que el receptor funcione de forma continua y no se detenga porque se vacía el depósito superior o porque se igualan los niveles de los depósitos, es necesario trasvasar agua desde el depósito inferior al superior a través de una tubería (conductor de retorno) que cierra el circuito, por donde es impulsada gracias a una bomba.
En ambos casos será necesario que exista un componente consumidor, conductos de ida y regreso y un generador que origine la diferencia de potencial eléctrico, para conseguir el paso continuo de los electrones. El interruptor no es estrictamente necesario, solo se emplea para controlar cuándo habrá circulación de electrones y cuándo no.
Importante
Cualquier circuito debe contener, al menos, un generador y un consumidor y los elementos conductores necesarios para que queden conectados, sino el circuito no será operativo. Aunque, sí que puede contener otros componentes además de los ya citados.
De forma general, se encuentran en un circuito eléctrico los siguientes elementos:
1 Generador: elemento activo que se encarga de aportar energía eléctrica o crear una diferencia de potencial (para que tenga lugar el movimiento de electrones) y que equivale a la bomba del circuito hidráulico análogo.
2 Consumidor: elemento pasivo que se encarga de consumir la energía eléctrica para transformarla en trabajo útil y que equivale a la rueda hidráulica del circuito hidráulico análogo. Los elementos pasivos más frecuentes son resistencias, bobinas y condensadores.
3 Conductor: medio a través del cual se conectan los diferentes componentes de un circuito y que permite el desplazamiento de los electrones a través del mismo. Equivale a las tuberías del circuito hidráulico análogo.
4 Elementos de maniobra: son componentes usados para cortar o dirigir la corriente eléctrica. Los elementos de maniobra más usuales son los interruptores, pulsadores y conmutadores.
5 Protecciones: son componentes empleados para eliminar o reducir las consecuencias de algunos fallos eléctricos como sobretensiones. Por ejemplo, fusibles o interruptores diferenciales o magnetotérmicos.
6 Elementos para medida de parámetros eléctricos: estos pueden formar parte del circuito o utilizarse de forma puntual (sin que formen parte del circuito). Existe una gran diversidad de estos equipos que permiten conocer cualquier magnitud que caracteriza a un circuito o a un elemento.
| Elementos básicos de un circuito eléctrico | ||||
|---|---|---|---|---|
| Generadores |  Placas solares |  Baterías |  Alternador | |
| Consumidores |  Lámparas |  Motores | ||
| Elementos de maniobra |  Interruptor |  Conmutador | ||
| Protecciones |  Interruptor magnetotérmico |  Fusibles | ||
| Conductores |  Cables de diversas secciones | |||
Por otra parte, en función de la naturaleza de algunos de los componentes eléctricos y de la forma en la que se realice la configuración del circuito, pueden encontrarse diversas tipologías.
Atendiendo a si tiene lugar la circulación de electrones se distinguen:
1 Circuitos abiertos: no hay paso de electrones, ya que el circuito no está completamente cerrado.
2 Circuitos cerrados: hay paso de electrones, porque el circuito cerrado permite a los electrones retornar hasta el generador.
Atendiendo al tipo de corriente que las atraviesa:
1 Circuitos de corriente continua: son circuitos en los que los valores de las magnitudes características no varían con el tiempo.
2 Circuitos de corriente alterna: son circuitos en los que los valores de las magnitudes características varían con el tiempo, siguiendo una función sinusoidal.
En función de la configuración que presenta el circuito:
1 Serie: los elementos se conectan uno tras otro de forma que los mismos electrones solo pueden recorrer un camino en el que atraviesan todos los componentes. En estos, la intensidad se mantiene constante.
2 Paralelo: son circuitos en los que todos los conductores conectados a los diferentes elementos comparten puntos en común en los que los electrones se separan, recorriendo caminos diferentes. En estos, la diferencia de potencial se mantiene constante.
3 Mixto: los elementos que lo componen se conectan de forma simultánea en serie y en paralelo.
Actividades
2. ¿Qué tipología de circuito cree que es más frecuente en las instalaciones industriales? ¿Por qué?
3. Identificación de componentes en un plano
En este apartado se desarrollan los conceptos necesarios para identificar de forma adecuada los componentes eléctricos desarrollados en el punto anterior, llegando a discriminar entre diferentes subcategorías de generadores, consumidores, protecciones…; así como aquellos elementos constituyentes del circuito, generados por la propia forma de interconexión de los conductores. Estos son:
1 Nudos o nodos.
2 Ramas.
3 Lazos.
4 Mallas.
5 Cortocircuitos.
Nudos son los puntos donde dos conductores conectan. Los nudos que se pueden encontrar en la imagen anterior son los marcados con las letras A, B, C, D y E.
Se denominan ramas los tramos de conductor que conectan dos nudos. En el caso de la figura anterior son los segmentos AB, BC, CD, DA.
Por lazos se conoce a cualquier trayectoria cerrada dentro de un circuito. Puede entenderse como un circuito dentro del propio circuito principal. En este caso, serían los caminos: ACDEA, ABCA, ABDCA, ABEDCA, BDCB, y DED.
Finalmente, mallas son un tipo especial de lazo que no encierra en su interior a ningún otro lazo. Es decir: ACDEA, ABCA, BDCB y DED.
En cuanto a los símbolos que representan a los elementos eléctricos que más frecuentemente aparecen en los circuitos, tanto los de corriente continua como los de corriente alterna, se recogen de forma resumida en las siguientes tablas. La primera de ella, sobre los generadores.
| Generadores | ||
|---|---|---|
| Generador, símbolo general |  G | Se usa para representar un generador de forma estándar, independientemente de si es corriente continua o alterna |
| Generador de corriente alterna |  G~ | Se usa exclusivamente para generadores de corriente alterna |
| Generador de corriente continua |  G– | Se usa exclusivamente para generadores de corriente continua |
| Pila |  | El generador es una pila (corriente continua) |
| Batería |  | El generador es una batería (corriente continua) |
Sabía que...
El icono en forma de onda sinusoidal (
) se emplea para identificar a los elementos y circuitos que operan con corriente alterna.
Entre los símbolos de elementos receptores más frecuentes, se encuentran los siguientes.
| Receptores | ||
|---|---|---|
| Lámpara |  G | Receptor que consume electricidad para transformarla en luz |
| Motor de corriente alterna |  G~ | Receptor que consume electricidad en corriente alterna para transformarla en energía mecánica |
| Motor de corriente continua |  G– | Receptor que consume electricidad en corriente continua para transformarla en energía mecánica |
| Resistencia |  | Puede emplearse para resistencias o para cualquier otro elemento receptor de forma genérica |
| Resistencia (2) |  | Usada para representar resistencias de forma más específica (existen muchas variantes de este símbolo que van en función del tipo de resistencia) |
| Inductancia |  | Inductancia, inductor o bobina. Es un elemento que almacena energía en forma de campo magnético |
| Condensador |  | Es un elemento que almacena energía en forma de campo eléctrico |
| Diodo LED |  | A pesar de ser un elemento electrónico surge frecuentemente en los esquemas eléctricos y en cierta manera es similar a una lámpara |
Actividades
3. De los anteriores listados de elementos, ¿cuáles reconocería físicamente?
4. Observe los símbolos de las tablas con detenimiento y su significado, ¿cree que existe algún tipo de parecido entre los elementos físicos y los símbolos que los representan?
La siguiente tabla recoge los principales símbolos relacionados con los elementos de maniobra.
| Elementos de maniobra | ||
|---|---|---|
| Interruptor |  G | Usado para abrir o cerrar un circuito o lazo |
| Conmutador |  G | Usado para seleccionar un camino de entre dos o más posibles para que se dirija el flujo de la electricidad |
| Pulsador NA |  G | Pulsador normalmente abierto o NA. Permite cerrar el circuito mientras se mantenga pulsado |
| Pulsador NC |  G | Pulsador normalmente cerrado o NC. Permite abrir el circuito mientras que se mantenga pulsado |
Por último, entre los símbolos de elementos de protección más frecuentes la tabla solo recoge los fusibles.
| Elementos de protección | ||
|---|---|---|
| Fusible |  G | Protege a los elementos que constituyen el circuito de posibles sobrecargas |
Aplicación práctica
Se encuentra ante el siguiente diagrama con imágenes reales de los elementos que componen un circuito, concretamente, un generador de corriente continua o pila de 9 V, una lámpara y un pulsador NA.
Entonces, su feje le pide que realice la representación gráfica de dicho circuito. ¿Cómo sería?
SOLUCIÓN
La representación gráfica quedaría de la siguiente manera.
Por otra parte, es conveniente mencionar que los esquemas eléctricos pueden aparecer representados de 3 formas diferentes:
1 Representación multifilar.
2 Representación unifilar.
3 Representación de instalación.
3.1. Representación multifilar
Es la representación en la que aparecen cada uno de los conductores y todos los elementos (incluidos los de protección, regulación y medida) con todas las conexiones que aparecen en la instalación eléctrica. A la hora de realizar un montaje son los más empleados, ya que contienen gran cantidad de información útil.
3.2. Representación unifilar
Es una forma de representación simplificada en la que se dibujan los conductores como si solo estuviesen constituidos por un único hilo. Es la que se utiliza a la hora de presentar un proyecto técnico. La unifilar presenta como ventaja frente a la multifilar, que permite ver con claridad toda la instalación, a pesar de su posible complejidad.
3.3. Representación de instalación
Son representaciones en perspectiva (generalmente, vistas de planta o vistas de alzado) de cómo es o como será la instalación físicamente.
Representación en perspectiva isométrica
Aplicación práctica
En la instalación en la que trabaja, se pretende montar un nuevo circuito eléctrico que ha sido descrito mediante una representación gráfica realizada por el ingeniero que ha desarrollado el proyecto y que corresponde a la siguiente imagen.
¿Sabría identificar todos los elementos del plano y los componentes que se van a necesitar?
SOLUCIÓN
Es un circuito formado por tres mallas (A1B1, A1A2B2B1 y A2B2) y que presenta cuatro nodos (A1, A2, B1 y B2).
Los componentes necesarios para montar el circuito son:
1 Conductor.
2 Generador: E, pila de corriente continua.
3 Cuatro resistencias: R1, R2, R3 y R4.
4 Un condensador: C.
5 Una inductancia: L.
4. Montaje de circuitos elementales con corriente alterna y continua
Para llevar a cabo el montaje de un circuito eléctrico será indispensable contar, al menos, con los elementos que anteriormente se han definido como fundamentales (generadores, conductores y consumidores) y, dependiendo de la función que el circuito vaya a tener, de otros elementos auxiliares como son los de protección, regulación y medida.
Importante
En muchas ocasiones, los elementos de protección pasan a ser de obligada instalación a tenor de la legislación vigente aplicable a cada tipo de instalación.
En lo que respecta a la fuente, será la que determine de forma inmediata si se trata de un circuito de corriente alterna o de corriente continua, y en función de esto, se seleccionarán el resto de elementos. Esto se debe a que los componentes son específicos para funcionar en corriente continua o en corriente alterna. Por ejemplo, un motor (elemento consumidor) fabricado para operar en corriente continua no será operativo si se monta en un circuito de corriente alterna.
Cualquiera de estos elementos puede encontrarse en comercios especializados de electricidad y electrónica que suelen contar con un amplio catálogo.
A lo hora de realizar un montaje será necesario tener en cuenta una serie de consideraciones que se detallan a continuación.
De forma previa al inicio del montaje, se verificarán las especificaciones y el buen estado de todos los componentes que vayan a ser empleados (lámparas, motores, generadores, protecciones, conductores…). En caso contrario, pueden estropearse o no funcionar por ser empleados con un tipo de corriente, una tensión o una intensidad inadecuados.
Las fuentes de tensión (generadores) serán los últimos elementos en ser conectados al circuito y se aislarán del resto del circuito con un interruptor, que permita decidir en qué momentos el circuito estará operativo y en qué momentos no.
Es fundamental respetar las secciones de los conductores que aparecen recogidas en las especificaciones de diseño del circuito.
Los componentes que se monten en el circuito que presenten partes móviles o que vibren deben estar interconectadas mediante conductores que tengan cierto margen, de forma que al vibrar o moverse no se desconecten de forma accidental del circuito. Además, será necesario que estos sean anclados a alguna superficie estable empleado elementos que absorban las vibraciones para salvaguardar la instalación.
Importante
Cualquier montaje que se realice deberá cumplir escrupulosamente la legislación que le sea aplicable en función de las características de la misma.
Los conectores deberán ir protegidos en canalizaciones acorde a las características de la electricidad que conducen y de las exigencias de la instalación.
En la misma canalización podrán coexistir conductores de varios circuitos siempre que todos ellos se encuentren aislados para la tensión máxima más elevada de cualquiera de ellos. Las canalizaciones podrán ser, entre otras:
1 Tubos rígidos.
2 Tubos curvables.
3 Tubos flexibles.
4 Bandejas cubiertas.
El interior de los tubos no podrá presentar ninguna arista, ni asperezas o fisuras que puedan dañar a los conductores o instalaciones, ni causar heridas a usuarios. Además, deben ser de un diámetro que permita un fácil alojamiento y extracción de los conductores, incluyendo su aislamiento.
Cuando sea necesario empalmar dos conductores se hará de forma que los empalmes nunca queden en el interior de los tubos, sino que se realizarán empleando sistemas de empalme (regletas de bornes o conectores), que queden accesibles en cajas registrables.
Importante
Los empalmes nunca se realizarán por retorcimiento o enrollamiento directo entre los mismos.
Actividades
5. En su opinión, ¿cómo se justifica la necesidad de observar todas estas recomendaciones a la hora de realizar un montaje?
5. Medición de parámetros: resistencia, intensidad, tensión y otros
La medición de parámetros en circuitos eléctricos se realiza empleando instrumentos de medición que permiten de manera rápida y fiable conocer las especificaciones de los componentes eléctricos (montados o no en un circuito) o de una parte o la totalidad de un circuito como: resistencia, intensidad, tensión, capacidad, capacitancia o inductancia. De esta forma, pueden detectarse causas de operación anómala de los elementos eléctricos.
De forma general, los equipos para medición de parámetros eléctricos se diseñan para operar específicamente en circuitos que trabajan con un tipo concreto de corriente, es decir, alterna o continua.
Los instrumentos que se emplean de forma más frecuente son:
1 El ohmiómetro: para medir la resistencia eléctrica.
2 El amperímetro: para medir la de intensidad de corriente.
3 El voltímetro: para medir la tensión eléctrica.
4 El multímetro: como equipo para la medición de múltiples parámetros.
Cada medida que realice estará en las unidades correspondientes a la magnitud que se mide:
1 Resistencia en ohmios.
2 Tensión en voltios.
3 Intensidad en amperios.
4 Carga en culombios.
5 Frecuencia en henrios.
6 Potencia en vatios, etc.
Importante
Todas las unidades empleadas para cuantificar magnitudes eléctricas pueden ir precedidas de los prefijos convencionales del sistema métrico para indicar fracciones y múltiplos de las unidades básicas. Por ejemplo, un milivoltio es una milésima de voltio, un kiloamperio es mil amperios y 1 microhmio es una millonésima de ohmio.
En la siguiente tabla se muestran los símbolos identificativos de los elementos de medida más frecuentes.
| Equipos de medida | ||
|---|---|---|
| Amperímetro |  | Proporciona la medida de intensidad en amperios o en múltiplos o submúltiplos del mismo |
| Voltímetro |  | Proporciona la medida de tensión en voltios o en múltiplos o submúltiplos del mismo |
| Ohmniómetro |  | Proporciona la medida de resistencia en ohmnios o en múltiplos o submúltiplos del mismo |
| Vatímetro |  | Proporciona la medida de potencia en vatios o en múltiplos o submúltiplos del mismo |
| Frecuenciómetro |  | Proporciona la medida de frecuencia en hertzios o en múltiplos o submúltiplos del mismo |
Definición
Ohmio Resistencia de un conductor a ser atravesado por una corriente de 1 amperio y una diferencia de potencial de 1 voltio.
Amperio Intensidad de corriente que se genera en un conductor al ser atravesado por una corriente de 1 culombio por segundo.
5.1. Amperímetro
Como ya se ha indicado, el amperímetro es el equipo empleado para la medida de la intensidad de corriente, normalmente, en miliamperios, microamperios o en algunos de sus múltiplos.
Se usarán amperímetros para corriente continua o corriente alterna, según sea el caso.
El amperímetro se emplea conectándolo en serie al circuito que se quiere medir, sabiendo de antemano la intensidad aproximada que circula. Esto se debe a que si se emplea un amperímetro en un circuito con mayor intensidad que la escala del que se emplea puede estropear el equipo de medida.
Amperímetro
Adicionalmente, es conveniente hacer cero en cualquier equipo de medida antes de realizar una.
El uso de un voltímetro en conjunto con un amperímetro permite obtener los valores de resistencias de un circuito aplicando la ley de Ohm. Esta se conoce como “Método del voltímetro-amperímetro”.
La ley de Ohm relaciona la intensidad, resistencia y tensión que circula por un conductor de la siguiente manera: “la corriente que circula por un conductor es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia”. Lo que expresado de forma matemática quedaría como:
Donde, I es la corriente que atraviesa el elemento estudiado expresada en amperios, V es la tensión o voltaje existente entre los extremos del elemento estudiado expresado en voltios, y R es la resistencia en ohmios (Ω).
Actividades
6. ¿Considera que el amperímetro es una herramienta útil cuando se trabaja con instalaciones eléctricas? Razone su respuesta.
5.2. Voltímetro
Por otra parte, el voltímetro es el equipo empleado para medir la tensión. Generalmente, en voltios (V) o en alguno de sus múltiplos (megavoltio: MV, Kilovoltios: KV…) o submúltiplos (milivoltio: mV…).
El voltímetro se emplea conectándolo en paralelo al circuito que se quiere medir, sabiendo de antemano la tensión aproximada que circula. Esto se debe a que si se emplea un voltímetro en un circuito con mayor tensión que la escala del que se emplea puede estropear el equipo de medida.
Al igual que el amperímetro, debe ser inicialmente ajustado en cero, a menos que el equipo realice esta tarea de forma automática.
El voltímetro se emplea para conocer la tensión producida por un generador o la que existe en parte de un circuito. Pueden emplearse integrados como parte del circuito, como un elemento más, de forma que en tiempo real pueda hacerse la lectura de la tensión entregada.
Voltímetro analógico
5.3. Ohmiómetro
En cuanto al ohmiómetro, presenta una funcionalidad y modo de uso totalmente diferentes a los dos equipos anteriores. El ohmiómetro se emplea para medir la resistencia de un elemento al paso de la corriente eléctrica y para poder llevar a cabo esta tarea, el elemento en cuestión no debe estar conectado a ningún generador ni a ningún otro elemento eléctrico, ya que falsearía el resultado de la medida.
Aunque, sí es conveniente una puesta a cero, como en los casos anteriores, antes de la realización de una medida.
Medir la resistencia de un elemento indicará la continuidad del elemento (si existen roturas en los elementos internos) y la detección de otras posibles averías.
Ohmiómetro digital
5.4. Multímetro
Todos estos equipos han sido empleados durante años por especialistas en electricidad para realizar su trabajo de forma rápida y eficiente, pero el uso de un equipo para cada parámetro era una desventaja importante. De esta forma, aparece el multímetro, que inicialmente era analógico y actualmente, ha pasado a ser digital. Este instrumento permite realizar medidas de parámetros como: resistencia, intensidad, tensión, frecuencia, potencia… en función de la sofisticación y precio del multímetro de que se disponga.
Actividades
7. De los cuatro instrumentos de medición descritos empleados en circuitos eléctricos, ¿cuál considera que debe ser el más empleado? Razone su respuesta.
El parámetro y escala a medir se seleccionan mediante una botonera o un conmutador en forma de ruleta y, en muchas ocasiones, son capaces de trabajar en corriente continua o alterna sin dificultades, siempre que de forma previa se seleccione para qué tipo de corriente se realiza la medida.
Aplicación práctica
El multímetro del que dispone para realizar las medidas con los circuitos eléctricos con los que trabaja ha recibido un golpe y ha perdido la función de trabajo denominada ohmiómetro. Si operando como voltímetro ha encontrado que la tensión que atraviesa una resistencia es de 220 V y que la corriente que circula es de 11 kA, ¿qué resistencia en ohmios presenta el elemento objeto de medición?
SOLUCIÓN
Aplicando la ley de Ohm, una vez se ha comprobado que las medidas han sido realizadas correctamente, se encuentra que:
O lo que es lo mismo:
Por tanto:
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