Apuntes de Electricidad Aplicada Al Buque

8/13/2019 Apuntes de Electricidad Aplicada Al Buque

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APUNTES DE ELECTRICIDAD APLICADA

A LOS BUQUESFRANCISCO JAVIER MARTÍN PÉREZ

Capitán de la Marina Mercante

JAVIER MARTÍN JUANIngeniero en Informática



Título: Apuntes de electricidad aplicada a los buques.Autores: Francisco Javier Martín Pérez

Javier Martín Juan

I.S.B.N: 84-8454-271-8Depósito legal: A-809-2003

Edita:Editorial Club Universitario Telf.: 965 67 38 45C/. Cottolengo, 25 – San Vicente (Alicante)www.ecu.fm

Printed in SpainImprime: Imprenta Gamma Telf.: 965 67 19 87C/. Cottolengo, 25 – San Vicente (Alicante)[email protected]

Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de este libro puede reproducirse o transmi-tirse por ningún procedimiento electrónico o mecánico, incluyendo fotocopia, grabación magnéticao cualquier almacenamiento de información o sistema de reproducción, sin permiso previo y porescrito de los titulares del Copyright.



A Maribel



ÍNDICE

CAPÍTULO I CONCEPTOS Y FENÓMENOS ELÉCTRICOS YELECTROMAGNÉTICOS BÁSICOS....................................................11

1.1 Introducción........................................................................................111.2 Conceptos básicos sobre circuitos eléctricos......................................131.3 Potencia y energía eléctricas...............................................................211.4 Conexión de los consumidores en un circuito ....................................251.5 Conexión de generadores....................................................................301.6 Receptores eléctricos ..........................................................................381.7 Resolución de circuitos complejos .....................................................421.8 El magnetismo ....................................................................................441.9 Ley de Biot–Savart .............................................................................46

1.10 Campo magnético creado por una corriente rectilínea .....................471.11 Campo magnético creado por corrientes en espiras .........................471.12 Fuerzas creadas por campos magnéticos ..........................................491.13 Leyes de Faraday y de Lenz .............................................................521.14 La autoinducción ..............................................................................551.15 Intensidad magnética H ....................................................................571.16 Permeabilidad relativa ......................................................................581.17 Electroimanes ...................................................................................601.18 Circuitos magnéticos ........................................................................611.19 Corrientes de Foucault......................................................................631.20 Condensadores..................................................................................631.21 Carga y descarga de un condensador................................................651.22 Acoplamiento de condensadores ......................................................66

CAPÍTULO II CORRIENTE ALTERNA..............................................692.1 Corriente alterna .................................................................................692.2. Generación de una tensión alterna.....................................................692.3 Valores característicos de una c.a.......................................................712.4 Representación gráfica de una corriente senoidal ..............................74



2.5 Circuito de corriente alterna con resistencia.......................................772.6 Circuito de corriente alterna con autoinducción.................................782.7 Circuito de corriente alterna con condensador ...................................812.8 Circuito serie RLC..............................................................................82

2.9 Circuitos acoplados en paralelo en c.a................................................862.10 Corrección del factor de potencia.....................................................902.11 Introducción a los sistemas trifásicos ...............................................942.12 Generación de corriente alterna trifasica .........................................952.13 Acoplamiento en triángulo ..............................................................952.14 Acoplamiento en estrella ..................................................................962.15 Conexión de receptores en los sistemas trifásicos............................982.16 Corrección del factor de potencia en los sistemas trifásicos ..........105

CAPÍTULO III TRANSFORMADORES.............................................1073.1 Transformadores...............................................................................1073.2 Transformadores monofásicos: constitución y funcionamiento.......1073.3 Fuerza electromotriz en el primario y en el secundario....................1083.4 Relaciones fundamentales en un transformador ideal ......................1093.5 El transformador real ........................................................................1123.6 Rendimiento de un transformador ....................................................1193.7 Transformadores trifásicos ...............................................................1203.8 Uso de transformadores a bordo.......................................................126

CAPÍTULO IV MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTECONTINUA...............................................................................................129

4.1 Máquinas eléctricas ..........................................................................1294.2 Dinamos............................................................................................1294.3 Devanados del inducido....................................................................1334.4 Excitación de las dinamos. devanados inductores............................1404.5 Dinamo de excitación independiente................................................1414.6 Dinamo con excitación en serie........................................................1424.7 Dinamo con excitación en derivación...............................................1444.8 Dinamo con excitación compound ...................................................1464.9 Regulación de tensión en una dinamo ..............................................1484.10 Identificación de bornes..................................................................1484.11 Acoplamiento de dinamos en paralelo............................................1494.12 Motores de c.c.................................................................................1504.13 Tipología de los motores de c.c. .....................................................1534.14 Motores con excitación en serie .....................................................153

4.15 Motor con excitación en derivación ...............................................1554.16 Motor de excitación compound ......................................................158



4.17 Inversión del sentido de giro de un motor de c.c............................1604.18 Regulación de la velocidad de giro del motor ................................1624.19 El motor de arranque ......................................................................164

CAPÍTULO V MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTEALTERNA.................................................................................................169

5.1 El alternador......................................................................................1695.2 Frecuencia de un alternador..............................................................1745.3 Fuerza electromotriz generada por fase............................................1745.4 Circuito equivalente de un generador sincrónico .............................1765.5 Medición de los parámetros del modelo de generador sincrónico ..1805.6 Sistemas de excitación de los alternadores.......................................1825.7 Regulación de tensión en los alternadores........................................1835.8 Acoplamiento de generadores en paralelo........................................1875.9 Características de frecuencia y de voltaje-potencia reactiva de ungenerador sincrónico...............................................................................1915.10 Reparto de cargas entre dos generadores de igual tamaño .............1935.11 Protección de generadores ..............................................................1965.12 Grupos electrógenos de emergencia ...............................................1975.13 Introducción a los motores eléctricos de c.a...................................1995.14 Motores asíncronos: principio de funcionamiento .........................2015.15 El motor asíncrono trifásico: constitución y funcionamiento.........2035.16 Deslizamiento del motor.................................................................2075.17 Cambio del sentido de giro de los motores asíncronos trifásicos...2085.18 Balance de potencias en los motores asíncronos ............................2085.19 Par motor ........................................................................................2095.20 Característica mecánica de un motor asíncrono trifásico ...............2115.21 Relación entre el deslizamiento y las pérdidas en el devanadorótorico....................................................................................................2125.22 Tipos de rotor en los motores asíncronos trifásicos........................214

5.23 Devanados estatóricos en los motores asíncronos..........................2165.24 Regulación de la velocidad de los motores asíncronos ..................2165.25 Motores síncronos...........................................................................2185.26 Motores monofásicos......................................................................219

CAPÍTULO VI GENERACIÓN Y DISTRIBUCIÓNELÉCTRICA A BORDO DE LOS BUQUES........................................223

6.1 El concepto de planta eléctrica del buque.........................................2236.2 Características de la planta eléctrica de un buque ............................223

6.3 Tipología de las plantas ....................................................................2246.4. Situación a bordo de las plantas generadoras ..................................227



9.7 Emplazamiento de las baterías..........................................................2939.8 Operación y mantenimiento de baterías de plomo ...........................2949.9 Operaciones y mantenimiento de baterías de níquel-cadmio ...........2989.10 Operación y mantenimiento de baterías de níquel–hierro ..............299

9.11 Determinación de la capacidad de la batería ..................................299CAPÍTULO X MANTENIMIENTO DE EQUIPOS YMÁQUINAS ELÉCTRICAS...................................................................301

10.1 Conceptos generales sobre mantenimiento industrial.....................30110.2 Organización técnico-administrativa del mantenimiento ...............30210.3 Seguridad en las operaciones de mantenimiento de los sistemaseléctricos.................................................................................................30310.4 Mantenimiento eléctrico. generalidades .........................................30410.5 Mantenimiento preventivo de generadores.....................................30610.6 Mantenimiento preventivo de transformadores..............................30810.7 Mantenimiento preventivo de motores ...........................................30910.8 Mantenimiento preventivo de equipos eléctricos ...........................30910.9 Averías eléctricas............................................................................311

CAPÍTULO XI INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DEPOTENCIA...............................................................................................313

11.1 Semiconductores.............................................................................31311.2 La unión pn.....................................................................................31511.3 Constitución y funcionamiento de un diodo...................................31811.4 El diodo zener.................................................................................31911.5 Dispositivos optoelectrónicos.........................................................32011.6 El tiristor.........................................................................................32011.7 El triac.............................................................................................32111.8 Circuitos rectificadores...................................................................32111.9 Rectificadores controlados..............................................................326

CAPÍTULO XII MEDIDAS ELÉCTRICAS BÁSICAS......................32912.1 Errores de medición........................................................................32912.2 Precisión de un aparato de medida .................................................33012.3 Instrumentos de medida..................................................................33012.4 Medida de la intensidad..................................................................33312.5 Medida de la tensión.......................................................................33512.6 El polímetro ....................................................................................33612.7 Medida de la potencia.....................................................................336

12.8 Medida de la potencia reactiva .......................................................33712.9 Medida de la potencia activa en c.a. trifásica .................................337



12.10 Medida de la frecuencia................................................................33812.11 Medida del factor de potencia.......................................................33812.12 Medida de resistencias electricas..................................................33912.13 Medida de la resistencia de aislameinto .......................................339

12.14 Test de continuidad.......................................................................340ANEXOS....................................................................................................341BIBLIOGRAFÍA......................................................................................355



11

CAPÍTULO I

CONCEPTOS Y FENÓMENOS ELÉCTRICOSY ELECTROMAGNÉTICOS BÁSICOS

1.1 INTRODUCCIÓNEl desarrollo de la electricidad se inició hace ya más de un siglo, habiendocambiado desde entonces nuestra forma de vida.La energía eléctrica es usada a bordo para mover diferente maquinaria, tantoauxiliar como de cubierta, para la iluminación, la ventilación, la refrigera-ción, el acondicionamiento de aire, la calefacción, las cocinas, etc.Por eso es necesario disponer a bordo de una fuente constante de electrici-dad, así como de los correspondientes elementos necesarios para su distri- bución, y para el control y el arranque de los equipos, etc.La instalación eléctrica de un buque puede tener distinta complejidad, dependiendo de su tamaño y dedicación.Así, podemos encontrarnos con instalaciones tan simples como la de un pe-queño velero de recreo compuesta por un grupo de baterías, un alternador

acoplado al motor principal y unos cuantos (pocos) consumidores, o tancomplejos como la de un trasatlántico que lógicamente incluye varios gene-radores, complejos circuitos de distribución y numerosos y variados consu-midores que, en algunos casos, incluyen la propia planta propulsora del bu-que.A pesar de su complejidad, cualquier sistema eléctrico puede ser «reducido»a una forma básica que denominaremoscircuito eléctrico(Ver figura 1)



Francisco Javier Martín Pérez - Javier Martín Juan

12

Un circuito eléctrico, en su forma más sencilla, está compuesto por un gene-rador (por ejemplo, una batería) uno o más receptores o consumidores, con-ductores y elementos de accionamiento y protección.

1.1.1 Sistema eléctrico de un buqueSe denominasistema eléctrico al conjunto de elementos cuya finalidad es la producción, el transporte y la distribución de energía eléctrica.El sistema eléctrico de un buque incluye, además de laplanta generadora,encargada de producir la energía que se precise, un conjunto de circuitosque forman tres redes o subsistemas diferentes:a) Red de distribución; formada por conductores que, partiendo de los

generadores, alimentan diferentes cuadros de los cuales penden, a suvez, los circuitos de alumbrado o los de fuerza.b) Red de alumbrado; que obtiene la energía eléctrica de un cuadro de

distribución y, a través de conductores, generalmente alojados en bande- jas metálicas o en tubos empotrados en los mamparos o cubiertas, ali-mentan diferentes puntos de luz que se encienden o se apagan mediantelos correspondientes interruptores.

c) Red de fuerza o de alimentación de motores. En este caso el consumi-

dor o carga es un motor eléctrico, en lugar de una o varias bombillas.

F1

F2

c.c. c.a.

Accionamientoy protección

Interruptores

Fusibles RG

F1

F2

Gener adores

c.c. c.a.

Conductores Receptor

Interruptores

Fusibles RG

Figura 1




14

Entre protones y electrones se producen unas fuerzas de atracción – repul-sión1 cuyas causas son imputables, precisamente, a esa propiedad denomi-nada carga.

La carga, carga eléctrica o cantidad de electricidad de un cuerpo,Q, puededefinirse como el exceso o defecto de electrones.Un cuerpo en estado normal, esto es, no electrizado, tiene en sus átomosigual número de protones que de electrones.Un cuerpo, en cambio, está electrizado o cargado positivamente cuando tie-ne defecto de electrones y estará electrizado o cargado negativamente cuan-do tiene exceso de electrones.La carga eléctrica se mide, en el SI, enculombios (C), aunque en la prácticase utiliza también elamperio-hora (Ah)2.Un culombio puede definirse como la carga que poseen 6,25 x 1018 electro-nes.1.2.2 ConductoresSon cuerpos que permiten la circulación de la carga a su través. Se caracte-rizan porque poseen electrones débilmente atraídos por el núcleo (electroneslibres) que pueden moverse libremente por el conductor. Los mejores con-

ductores son los metales y, dentro de ellos, la plata, el cobre, el oro y el alu-minio, en ese orden.1.2.3 AislantesSon cuerpos que no permiten la circulación de electrones a su través. Secaracterizan porque sus electrones están fuertemente atraídos por el núcleo.Ejemplos de materiales aislantes son: los plásticos, el vidrio, el aire, el acei-te, el papel, el agua destilada, etc.1.2.4 Corriente eléctricaA la circulación de cargas eléctricas por el interior de un conductor se laconoce comocorriente eléctrica. Dicha corriente se producirá, por ejemplo,cuando dos cuerpos con diferente carga eléctrica son unidos por un materialconductor. Por convenio se establece que el sentido de la corriente es delcuerpo positivo al negativo. (Figura 3)

1 Los protones y los electrones, entre sí, se repelen; un protón y un electrón, en cambio, seatraen.2 El amperio es la unidad utilizada para medir la intensidad de la corriente eléctrica, comomás adelante veremos.




16

Problema 1.2Una lámpara incandescente consume una corriente 68 mA. ¿Cuánto tiempotendrá que fluir por dicha bombilla una carga eléctrica de 30 C para que la

corriente alcance dicho valor?s18,441

106830

3 ===

−

Qt

Problema 1.3¿Qué cantidad de carga tendrá que circular por un conductor en 1 hora, si laintensidad de la corriente eléctrica es de 2 A?

C7200360012 === t I Q

1.2.7 Medida de la intensidadLa intensidad de la corriente semide con un instrumento lla-mado amperímetro que se in-tercala en el circuito en el cualquiere medirse la corriente (Fi-gura 4).

1.2.8 Resistencia eléctricaLlamamos así a la oposición de un cuerpo a la circulación de la corrienteeléctrica. Se suele representar con la letra R y se mide enohmios ( ).A la inversa de la resistencia:

RG

1=

se le conoce como conductancia. Se mide ensiemens (S).

1.2.9 Resistencia de un conductorLa resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud einversamente proporcional a su sección, dependiendo, además, de las carac-terísticas del material y de la temperatura.Para una determinada temperatura la resistencia vale:

S l

R ρ =

donde,

A+ -A+ - Figura 4



Capítulo I: Conceptos y fenómenos eléctricos básicos

17

R es la resistencia en ohmios,

ρ , el coeficiente de resistividad o, simplemente, resistividad del material deque está construido el conductor, enΩ m (o enΩ mm2/m).

l , la longitud del conductor en m , yS , la sección del mismo en m2

A la inversa de la resistividad se la conoce como conductividad,c y se mideen 1/Ω m o S/m

ρ

1=c

Problema 1.4Calcular la resistencia de un conductor de cobre de sección circular, de 5mm de diámetro y 5 m de longitud ( ρ = 1,72 10-8 Ω m).

Ω===−

−

m38,4)2/105(5)1072,1(

23

8

π

ρ

S l

R

Problema 1.5Calcular la longitud de un conductor de cobre de 1/16 pulgadas de diámetroy de 2Ω de resistencia (1 pulgada = 2,54 10-2 m) (c = 5,8 107 S/m).

2 -31 1 pulgadas 2,54 10 1,5875 10 m16 16

−= =

7 3 2l cRS 5,8 10 2 (1,5875 10 ) 229,6 m4

−π

= = =

1.2.10 Variación de la resistencia en función de la temperatura

La resistencia de un conductor varía, como hemos dicho, con la temperaturay lo hace de acuerdo con la siguiente expresión:( )[ ]1212 1 t t R R −+= α

Donde, R2 es la resistencia del conductor a la temperaturat 2. R1, la resistencia del mismo a la temperaturat 1

α , coeficiente de variación de la resistencia (en 1/ºC)




18

Problema 1.6¿Cuál será la resistencia de un conductor de cobre a una temperatura de 60ºC, sabiendo que a 20 ºC dicha resistencia vale 60Ω ? (α = 0,004 1/ºC)

( )[ ] Ω=−+= 6,692060004,0160º60 C R Problema 1.7La resistencia del bobinado de cobre de un determinado motor es de 0,075Ω a la temperatura de 20º C. Después de funcionar durante un cierto tiempo,dicha resistencia aumenta a 0,084Ω . Sabiendo queα = 0,004 1/ºC, calcularla temperatura de funcionamiento del citado motor.

( )[ ]20004,01075,0084,0 2 −+= t

Cº502 =t

1.2.11 Diferencia de potencial o tensión eléctricaPodemos definir la diferencia de potencial (ddp) entre dos puntos como eltrabajo (W ) necesario para llevar la unidad de carga de un punto a otro (Verfigura 5). Para su representación se usa la letraU y se mide envoltios (V).Podemos establecer, por tanto que:

QW U =

Problema 1.8Calcular la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito, sabiendoque para mover 8,51018 electrones se ha realizado un trabajo de 136 J.(Carga de un electrón = 1,60210-19 C)

V99,9105,810602,1136

1819 === −QW

U 1.2.12 Medida de la tensión eléctrica

La tensión o diferencia de potencial(ddp) se mide con un instrumento llama-do voltímetro, conectado a los dos pun-tos del circuito entre los cuales quere-mos medir dicha diferencia de potencial(Ver figura 6).

q0

A

Q

B

Figura 5




20

Problema 1.12Por un determinado aparato eléctrico circula una corriente de 11 A. Sabien-do que su resistencia es de 34,55Ω , ¿A qué tensión está conectado?

V38034,5511 === R I U 1.2.14 Rigidez dieléctricaLa calidad del aislamiento de un material se mide por su rigidez dieléctrica,que es la tensión que es capaz de perforar el mismo. Se suele expresar enkilovoltios por centímetros de espesor del aislante.1.2.15 Caída de tensiónSe denomina así a la disminu-ción de la tensión que, comoconsecuencia de su resistencia, presenta un determinado con-ductor al paso de la corriente(figura 7)Su valor será:

R I U =

Problema 1.13Por un conductor de cobre de 2 mm de diámetro y de 250 m de longitudcircula una corriente de 10 A. Calcular la caída de tensión en el mismo.

26-23

m103,142102

=

=

−

π S

Ω==−

− 1,351014,3

25010017,0 66 R

V5,1335,110 === R I U

1.2.16 Caída de tensión en una línea eléctricaLlamamos así a la diferencia entre las tensiones medidas al principio y alfinal de dicha línea (Figura 8)

21 U U U −=∆

U

I R

U

I R

Figura 7

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